Поиск - новости науки и техники

На пути к экзаватту. Лазерами небывалой мощности и другими уникальными разработками удивляют мир нижегородские ученые.

Определение “прикладной” в названиях академических институтов встретишь нечасто. Но если уж оно там присутствует, то можно быть уверенным, что появилось не случайно, что не было придумано кем-то со стороны, а стало следствием изначальной нацеленности научного коллектива на технологическое приложение своих фундаментальных работ. Во всяком случае, именно это сыграло не последнюю роль при создании в Нижнем Новгороде (тогда еще – Горьком) Института прикладной физики (ИПФ) РАН. Когда в 1977 году он “отпочковался” от Научно-исследовательского радиофизического института (который в свое время тоже выделился из Горьковского государственного университета), сотрудники нового академического учреждения пришли в него с солидным багажом идей и наработок, пригодных для практического применения в разных сферах жизни, в том числе и в самой науке.

– Крепкая связь с технологическими отраслями хозяйства страны у нас была налажена с самого начала, – говорит организатор и последующие 25 лет директор института, а сейчас его научный руководитель академик Андрей Гапонов-Грехов (на верхнем снимке). – Это было нашей принципиальной позицией – заниматься не только фундаментальными исследованиями, как полагается академическому институту, но и их практическим приложением в интересах самых различных областей хозяйственной деятельности. Чисто научные и сугубо прикладные работы для нас – единое целое. При нашем институте всегда были, и сейчас, тем более, есть, малые дочерние предприятия, выпускающие продукцию, которая пользуется спросом даже за рубежом. Это приносит нам и доход, и некую уверенность в благополучном существовании. Принципы, заложенные при организации института, позволили нам пережить и лихие 1990-е годы. И мы не только их пережили, но сохранили и научные направления, и “социалку” – детсад, пионерлагерь, базу отдыха, а благодаря этому и ценных сотрудников. Сейчас наращиваем успехи.
Андрей Викторович не упомянул (впрочем, это общеизвестно) о том, что он создатель легендарного гиротрона – устройства, возможности и популярность которого в значительной степени и сегодня определяют высокий уровень научного и финансового потенциала ИПФ. Об уникальной разработке, других достижениях и исследованиях ученых института рассказал его нынешний директор академик Александр Литвак (на нижнем снимке) в обстоятельной беседе с корреспондентом “Поиска”.
– Вряд ли имеет смысл, объяснять читателям научной газеты, особенно физикам, что такое гиротрон, – замечает Александр Григорьевич. – Этот мощный источник электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне волн, созданный сотрудниками нашего института во главе с академиком Гапоновым-Греховым в 70-х годах прошлого века (а прототип – еще раньше), давно известен. Различные его модификации нашли широкое применение не только в стране, но и за рубежом. Сегодня его используют главным образом для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза. Сколько гиротрон существует, столько он и совершенствуется учеными самого крупного из трех научных отделений института – Отделения физики плазмы и электроники больших мощностей. По сути дела, речь идет уже об инновационных разработках. Одна из них отмечена в этом году Премией Правительства РФ. Ее присудили за создание гиротронов с мегаваттным уровнем мощности, как раз для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза.
По этим устройствам мы всегда были и остаемся лидерами. В условиях жесткой международной конкуренции нам удается выходить победителями: две трети термоядерных лабораторий мира сегодня оснащены гиротронами нижегородского производства. Они же будут греть плазму в международном экспериментальном термоядерном реакторе – мы вошли в число поставщиков оборудования для строящегося ИТЭР.
Конечно, не в институте изготавливается такое оборудование, ученые его лишь разрабатывают. А делают гиротроны в цехах научно-производственного предприятия ГИКОМ. Эту фирму создали в 1992 году, когда поняли: чтобы выжить, надо самим заниматься коммерциализацией своих разработок. Учредителями стали люди, внесшие определяющий вклад в создание, испытание и совершенствование гиротронов. Было налажено их производство, совместная продукция ИПФ и ГИКОМ стала пользоваться спросом, успешно продаваться за рубеж, что было очень кстати в трудные времена. И сегодня мы работаем в тесном содружестве, как части одного организма, подпитывающие друг друга. В феврале этого года вместе отметили 20-летие ГИКОМ.
Надо сказать, что мы и сами с успехом используем гиротроны для решения сложных и интересных задач. В том же Отделении физики плазмы и электроники больших мощностей разработана технология выращивания алмазов, которая обеспечивает существенно более быстрый их рост, чем те, что традиционно применяют ведущие мировые фирмы, работающие в этой области. Преимущество достигается благодаря гиротрону: высокая частота его генерации позволяет работать с большей концентрацией плазмы, и алмаз растет быстрее. Причем у нас выращиваются как поликристаллические, так и монокристаллические алмазы. Последние, в принципе, можно использовать в ювелирной промышленности. Но мы такой цели не ставим, наша продукция ориентирована в основном на применение в электронике. Технология защищена международными патентами.
Среди достижений института и самый мощный в России лазер…

***
Прервем пока рассказ Александра Григорьевича. И вот почему. За время посещения института представилась возможность побывать в разных его подразделениях, увидеть установки, с которыми работают ученые, поговорить с некоторыми из них. Поэтому время от времени будем переноситься из кабинета директора на “передовую” и давать слово ученым, о работах которых зашла речь.
Чтобы увидеть вблизи рекордный по мощности лазер, надо спуститься в одно из подвальных помещений института, преодолеть дверь с кодовым замком и пройти через “шлюзовой” отсек, предварительно облачившись в белый халат. Нельзя сказать, что увиденное производит особое впечатление – нечто подобное приходилось встречать и в лабораториях других физических институтов. По-настоящему оценить разработку ученых Отделения нелинейной динамики и оптики ИПФ могут, конечно, только специалисты, но и незнатокам становится многое ясно после рассказа сведущего человека.
– Идея создать мощный петаваттный лазер родилась еще в 2001 году, – говорит один из авторов установки, заведующий отделом нелинейной и лазерной оптики, член-корреспондент РАН Ефим Хазанов. – Причем решили его сделать на основе новых принципов, которые на тот момент еще не были толком опробованы. Пришла мысль использовать вместо лазерного параметрическое усиление, основанное на нелинейно-оптических явлениях, которыми у нас в институте занимаются с момента его основания. Поэтому были опыт и понимание того, что из этого может получиться. Сделали прототип, шаг за шагом отрабатывали концепцию установки, поднимали ее энергию и в 2007 году сделали этот лазер. Его мощность – 0,5 петаватта (петаватт – это 1015 Вт, или квадриллион ватт). Такую мощность по нашим человеческим меркам представить очень трудно, поскольку она в десятки раз превышает мощность всех электростанций Земли. Энергия при этом получается очень скромная – 25 джоулей. Если эту энергию приложить к стакану с водой, то она эту воду нагреет, но лишь на долю градуса. А все дело в том, что импульс получается очень коротким – 45 фемтосекунд. Отсюда такая фантастическая мощность. Если этот пучок хорошо сфокусировать, можно создать интенсивность электромагнитного поля, которая значительно превосходит не только ту, что существует внутри атома, но и ту, что внутри звезд. То есть появляются совершенно уникальный инструмент исследований, абсолютно новые возможности для фундаментальной физики, скажем, связанные даже с исследованием структуры вакуума.
Такие лазеры имеют хорошие перспективы практических применений. Мы провели исследования и эксперименты, доказывающие, что с его помощью можно ускорять заряженные частицы, в частности ионы углерода, которые используются для лечения рака. Установки, основанные на этом принципе, будут значительно меньше, чем традиционные ускорители, высокая стоимость и огромные размеры которых препятствуют их широкому применению в медицине. А нашими компактными установками со временем можно будет оснащать даже небольшие специализированные отделения больниц.
Более того, с помощью мультипетаваттных лазеров можно будет решать задачи, которые под силу пока лишь адронным коллайдерам, подобным церновскому. В общем, перспективы большие, но и сделать надо очень много. Наши планы – в ближайшие два года создать лазер мощностью в
5 петаватт, который будет прототипом тех, что рассчитаны на мощность в три раза больше. Именно 15-петаваттные установки предполагается создавать по проекту, о котором вам, видимо, уже говорил директор.

***
Действительно, в своем интервью академик А.Литвак этой теме уделил особое внимание.
– Известно, что Россия намерена создать несколько крупных уникальных научных комплексов мирового уровня, получивших название установок класса мега-сайнс, – вводит в курс дела Александр Григорьевич. – Полученные учеными института результаты позволили нам предложить реализовать один из таких проектов в Нижнем Новгороде, создав для этого Международный центр исследований экстремальных световых полей. Для решения уникальных задач, стоящих перед центром, используемая мощность должна составлять 0,2 экзаватта, а впоследствии достигнуть 1 экзаватта (экзаватт в 1000 раз больше петаватта). Такую мощность создаст комплекс синхронно работающих 15-петаваттных лазеров, которые предстоит построить. В числе шести проектов мега-сайнс и наш проект получил одобрение Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям под председательством В.Путина. В институте уже создан и провел заседание международный совещательный комитет этого проекта, в который вошли представители ведущих лазерных и ядерных лабораторий мира. Его участники познакомились с нашими возможностями, высоко оценили их, и теперь мы ведем переговоры с зарубежными партнерами о научном и финансовом участии в реализации этого проекта.
Интересные работы ведутся в нашем институте и в области геофизических исследований. Решаются важные фундаментальные и прикладные задачи. Может, кто-то удивится тому, что в институте физического профиля ведут геофизические исследования, поскольку это прерогатива институтов другого отделения РАН. Однако здесь нет противоречия. Это, скорее, отражает заметную сегодня тенденцию, когда ведущие физические институты весьма активно осваивают новые для себя междисциплинарные научные ниши. И “наша” геофизика – наглядный тому пример. Это действительно та область науки, где физики могут привнести многое – новые подходы, количественные модели тех или иных явлений, новый инструментарий. Понимание этого есть и у нас, и у наших коллег из Отделения наук о Земле, поэтому наши занятия геофизикой мы рассматриваем как хорошую возможность для развития интеграции внутри самой академии и уже сейчас ведем свои исследования во взаимодействии с рядом профильных институтов упомянутого отделения.
Конечно, опираемся мы при этом на наши разработки, которые развиваются в ИПФ уже многие годы. С первых лет работы института в его “научном паспорте” были прописаны исследования в области гидрофизики (фактически физики верхнего слоя океана), низкочастотной акустики океана, физики атмосферы и ионосферы, создания мощных гидроакустических излучателей и измерительных приемных систем. Позднее к ним добавились работы в области сейсмоакустики, то есть и земные породы тоже стали нашим объектом. Причем все эти исследования всегда велись и ведутся нами на основе той самой радиофизической парадигмы, которая объединяет институт в целом, несмотря на его очевидную тематическую широту – основной наш интерес связан с волновыми и колебательными явлениями в природных средах, с волновыми (дистанционными по сути) методами их диагностики и мониторинга.
– Буквально пара примеров, как работают в геофизике радио­физические методы, – как бы подхватывает  рассказ директора член-корреспондент РАН Евгений Мареев, с которым я встретился чуть позже, он исполняет обязанности руководителя Отделения геофизических исследований. – Сейчас много и правильно говорят о мониторинге атмосферы. Остается открытым вопрос надежной дистанционной диагностики даже такого важнейшего параметра, как термическая структура атмосферы на высотах от 10 до 50 километров. Сделать это непросто, а прямых измерений явно недостаточно для мониторинга. Нам удалось продвинуться в этом направлении, причем для этого были созданы и необходимые методы решения соответствующей обратной задачи, и аппаратные наземные средства измерений, практически решающие ее. Другие методы и средства разрабатываются у нас для диагностики и прогноза динамики малых газовых составляющих, таких как озон, окислы азота, сажевые аэрозоли. Пожары жаркого лета 2010 года только подчеркнули актуальность этих работ.
Много загадочных волновых явлений по-прежнему таит в себе океан. Одни из них связаны с динамикой взаимодействия морской поверхности с воздушным потоком при ураганных ветрах. Фактически, это классический вопрос волновой физики – о формировании ветровых волн в реальном океане, но при столь сильных ветрах он, оказывается, содержит в себе неожиданные и только недавно установленные эффекты. Очевидно, натурные эксперименты в таких условиях крайне затруднены, но у нас есть надежный инструмент для масштабного лабораторного моделирования – уникальный Большой термостратифицированный бассейн. Недавно мы оснастили его специальным ветроволновым каналом для моделирования океанских ураганов, и появилась возможность изучения этих эффектов в контролируемых и воспроизводимых условиях. Есть уже первые результаты, и они хорошо согласуются с теми немногочисленными натурными данными, которые нашим коллегам удалось получить непосредственно в штормовых условиях.
Все более активно в последнее время мы работаем в области атмосферного электричества. Надеемся, что вскоре сможем предложить и методы, которые позволят активно воздействовать на негативные последствия опасных природных явлений, предотвращать их. К примеру, чтобы при приближении грозы можно было снять заряд, порождающий молнию. Ведем эксперименты по использованию СВЧ-излучения, излучения фемтосекундных лазеров, других надежных и экологических методов активного воздействия на процессы в атмосфере. Уже есть обнадеживающие результаты.

***
Вернемся в кабинет директора.
 – Многие заметные результаты работы института, о которых я говорил, – замечает Александр Григорьевич, – обеспечиваются отлаженной системой подготовки кадров. Ее считают одной из лучших в Российской академии наук. Молодых сотрудников нам регулярно поставляет Высшая школа прикладной физики, которую мы организовали в 1991 году. Она входит в число факультетов Нижегородского государственного университета (ННГУ), но работает полностью на базе нашего института и на его же территории располагается. Практически все преподаватели факультета, кроме его декана, – совместители или почасовики. Занятия со студентами ведут ученые нижегородских институтов РАН и лучшие преподаватели университета. Ежегодно набирается всего одна группа – 25 человек, иногда, по просьбе ректората, – чуть больше. Студенты учатся четыре года по системе бакалавриата, потом поступают в магистратуру. Те, кто оканчивает ее, идут в аспирантуру института, защищаются и, как правило, остаются у нас. За исключением одного-двух человек: бывает, что кто-то уезжает за границу или переходит в компьютерную фирму, которая очень любит выпускников нашей школы.
Еще есть специализация “фундаментальная радиофизика” на радиофизическом факультете ННГУ, которую курирует институт. Кроме того, в состав нашего научно-образовательного комплекса входят старшие классы физико-математического лицея. В эти классы с углубленной подготовкой по физике и биофизике мы принимаем ребят на конкурсной основе. Они занимаются здесь же, на территории института, и мы полностью контролируем всю систему их обу­чения, включая приглашение и оплату преподавателей. Примерно половина выпускников лицея поступает в Высшую школу прикладной физики.
Говоря о тех немногих, кто оставил институт и уехал работать за границу, директор ИПФ не мог не вспомнить историю с Андреем Турлаповым. Но это история со счастливым концом. Андрей окончил ту самую школу-факультет, начинал работать в институте, но потом поступил в аспирантуру Нью-Йоркского университета, защитил диссертацию, получив степень PhD, после чего пять лет работал в Университете Дюка (штат Северная Каролина). Все это время не терял связи с ИПФ.
– Когда он приезжал сюда, – вспоминает Александр Григорьевич, – мы обсуждали вопрос о его возвращении. Андрей говорил, что готов вернуться, но хотел бы продолжать работать по своей тематике, а для этого нужна установка, которой в институте нет. В других институтах и лабораториях страны таких установок тоже не было, и мы решили, что правильно будет, если у нас появится новое направление, для которого используются эти установки. Оборудование стоило более 1,5 миллиона долларов, и, тем не менее, мы нашли эти деньги. Вот уже четыре года Андрей работает в нашем институте в должности ведущего научного сотрудника, руководит исследовательской группой…
Разумеется, захотелось познакомиться с ученым, посмотреть, чем он занимается.

***
Андрей Турлапов сразу ведет в лабораторию, где установлено уникальное оборудование.
– Посмотрите в этот шлюз, – предлагает он. – Видите красное облачко? Это газ атомов при температуре 1 милликельвин. Если охлаждать еще больше, то глазом вы его уже не увидите. А мы с помощью лазера охлаждаем газ атомов до очень низких температур, порядка десятка нанокельвинов (нанокельвин – одна миллиардная кельвина). То есть до температур, близких к абсолютному нулю (минус 273 градуса по Цельсию). Этот невообразимый холод можно использовать и в практических, и в сугубо научных целях.
Существует несколько вариантов прикладного применения ультрахолодного атомного газа. Один из них – обеспечивать работу абсолютно точных часов. Они нужны для повышения надежности систем глобального позиционирования (ГЛОНАСС, GPS) и увеличения быстродействия компьютерных сетей. Фундаментальные приложения еще разнообразнее. Газ атомов при сверхнизких температурах можно использовать для моделирования физических систем, которые по разным причинам сложно наблюдать. Благодаря ему появляется возможность следить за изменением свойств вещества при таких температурах, за процессами и явлениями, которые ранее не были известны. Явления в основном связаны с физикой фазовых переходов.
Что касается процессов, которые сложно изучать, то речь может идти вот о чем. Вещество, с которым мы, в частности, экспериментируем, – атомы лития. Существует гипотеза, скорее всего оправданная, что поведение этих атомов при столь низких температурах весьма похоже на поведение материи в нейтронных звездах. Эксперименты на звезде, понятно, провести нельзя. А у нас – можно, и с их помощью получить представление о явлениях, которые происходят в нейтронных системах.
У Андрея сейчас напряженная пора. Дело не только в работе, он готовится к защите докторской диссертации, которая состоится в Курчатовском институте совсем скоро – в один из последних дней мая.
Егору Господчикову и Вадиму Скалыге, защитившим не так давно кандидатские диссертации, до такого события пока далеко. Но они уже принимают поздравления. Совместные исследования молодых ученых недавно отмечены Российской академией наук медалями и денежными премиями. Егор и Вадим рассказали, что награды удостоены за цикл работ по взаимодействию мощного излучения с высокотемпературной сильнонеравновесной плазмой в условиях электронно-циклотронного резонанса. Используя возможности гиротронов, они сумели достаточно далеко продвинуться в своих исследованиях и получить результаты, которые сейчас находят применение не только в родном институте, но и в крупных европейских центрах, в частности в ЦЕРН.
Результаты, что и говорить, серьезные, не попытать ли в таком случае счастья за рубежом?
– Нельзя сказать, что совсем не возникала мысль о возможности еще где-то поработать, – отвечает на это Егор Господчиков. – Но сейчас для этого совсем не обязательно куда-то уезжать насовсем. Для проведения сложных совместных экспериментов на дорогостоящей установке почти всегда можно съездить в командировку. Это естественная часть научной работы, как и поездка на конференции.
 – У меня было несколько предложений из-за рубежа, но мне хочется работать в родной стране, в родном городе, – добавляет Вадим Скалыга. – Тем более что условия, которые предоставляют нам институт и Академия наук, уже конкурентоспособны с теми, что могут обеспечить, скажем, европейские работодатели. Все-таки за последние 10 лет средний уровень благосостояния ученых у нас вырос.

***
Возможно, не все читатели “Поиска” разделяют такую оценку, но молодые сотрудники ИПФ делают выводы, ориентируясь в первую очередь на положение дел в своем институте. Многое из того, что согласуется с их словами, прозвучало в докладе директора на годовом собрании коллектива, которое состоялось в этот же день.
Практически все показатели 2011 года оказались лучше предыдущих. Суммарный объем финансирования института вырос почти до миллиарда рублей. При этом бюджетные поступления, выделяемые академией, включая и средства на программу фундаментальных исследований РАН, составили лишь около 40 процентов. Остальные деньги коллектив ИПФ заработал самостоятельно. Естественно, возросла и зарплата: научные сотрудники получали в среднем почти по 48 тысяч рублей в месяц, на шесть с лишним тысяч больше, чем в 2010 году. Доходу соответствует производительность труда – выработка на одного сотрудника составляет около миллиона рублей, на одного научного – больше двух.
– Если этот показатель увеличить раза в два с половиной, – заметил в нашей беседе Александр Григорьевич, – то можно выйти на стандартный мировой уровень. Мы к этому стремимся. Но многое упирается в самую главную нашу проблему – оснащенность современным научным оборудованием. Возможность приобретать его самостоятельно, за счет прибыли, совсем не велика. Нужна государственная программа обновления материально-технической базы академических институтов. Такие уже есть для вузов, отраслевых НИИ. Если бы подобная программа была принята для институтов фундаментальной науки, мы могли бы работать более эффективно.

Александр ЧУБА

Нет комментариев