Сердце наукограда

«Есть только «МИГ» между прошлым и будущим, именно он называется жизнь»…

Часть I

Интервью у сотрудников ИСЭ СО РАН я брала совместно с киностудией «Лавр» (г. Москва). Некоторые интересные вопросы задавал Станислав Адамов, снимающий документальный фильм об институте сильноточной электроники и о Томске, как наукограде, в проекте канала «Культура» «География российской науки».

Первый предварительный вопрос был задан Николаю Николаевичу Ковалю, заместителю директора ИСЭ, доктору физико-математических наук:

— Какие практические разработки института были востребованы на сегодняшний день?

— Я думаю, что один из примеров реального применения – это поставка нашей установки в Японию, которая была применена там для производства бритвенных лезвий. Бритвенные лезвия после обработки нашими источниками - это плазма, ионы (из плазмы извлекаются ионы высокой энергии и обрабатывают бритву, происходит азотирование, бритва упрочняется, растёт в разы её износостойкойкость). Есть второй этап - бомбардировкой ионов бритва затачивается. Создаётся качественный продукт для комфортного бритья. Японцы сумели воплотить его в жизнь на нашей установке.

Дискуссия о востребованности в разработках данного направления науки была продолжена с председателем Президиума ТНЦ, директором ИСЭ СО РАН, член-корреспондентом РАН, доктором физико-математических наук Ратахиным Николаем Александровичем:

— Наш институт один из немногих, который реально работает по заказам за рубеж, это поставка высококлассного оборудования в ведущие центры мира. Институт создавался на базе двух крупнейших ВУЗов – это ТГУ и ТПУ. Геннадий Андреевич Месяц – основатель института сильноточной электроники, сам выпускник политехнического. Особенность института в том, что мы были ориентированы на оборонный комплекс, в котором используются ведущие направления, в том числе физика экстремальных состояний, воздействий, создание техники, которая позволяет организовывать гигантские потоки, которые могут разрушать вещество и т. д. После перестройки институт быстро интегрировался в мировое сообщество, поскольку и тогда и на сегодня потребности в отечественных разработках в России к величайшему сожалению нет.

Если сердцем научного Томска является ИСЭ СО РАН, то Эверестом, вершиной достижений института сильноточной электроники по праву можно назвать лабораторию газовых лазеров, которую возглавляет Валерий Фёдорович Лосев. Он любезно показал нам свою лабораторию и уникальную фемтосекундную лазерную систему:

— Система работает в газовой среде в видимом диапазоне. В основе лазера – разработки лаборатории ФИАМ Михеева Леонида Дмитриевича, который проповедует создание фемтосекундных систем на газовой среде, в мире такого нет, все системы работают на твёрдом теле, уникальность газовой среды в том, что она работает в спектре видимого диапазона. Сейчас перед нами стоит задача выйти на рекордные параметры мощности - это около 100ТВт.

— В чём уникальность и особенность лазера на основе газовой среды, а не твердотельном? Что даёт видимый спектр, каковы плюсы?

— Лазеры на твёрдом теле работают в инфракрасном диапазоне, при переходе в видимый диапазон мы можем получить вторую гармонику. Для чего нужен видимый диапазон? Видимый диапазон открывает новые возможности, другие направления, имеет ряд преимуществ по приложению, это в основном фундаментальные исследования взаимодействия мощного излучения с веществом, открываются новые физические показания, могут появиться новые процессы. Получить такой мощный пучок в видимом диапазоне технически очень сложно, потому что есть технические ограничения на преобразование инфракрасного излучения в видимый диапазон. Преобразование происходит в кристаллах, они имеют конечные размеры, они обычно очень тоненькие, есть технический предел в настоящее время. Сейчас мы получили из видимого диапазона 4ТВт, и остановились. Газовая среда не имеет таких ограничений. Эти всемерные среды широкополосные, они позволяют усиливать в них импульсы предельно малой длительности до 10 фемтосекунд. Перспективы громадные, пределов нет, это интересно. Система на базе ускорителя электронов разработана под руководством академика Бориса Михайловича Ковальчука. Это электронный пучок, формируется он в импульсном генераторе. Электронный пучок возбуждает с шести сторон газовую смесь. Газ – ксенон - возбуждается, излучает на длине волне 172 нанометра, пучок качает энергию порядка 30 кДж длительностью 200 наносекунд. Это такая лампа-вспышка. Внутри лампы располагается газовая камера диаметром 25 сантиметров, длиной 1м. Внутри этой газовой камеры создается активная среда, которая может усиливать видимый диапазон, длина волны 480 нанометров.

— Можно ли вывести на основе лазера новые физические законы, совершенно другую физику?

— Ситуация такая, что получаемый пучок показывает релятивисткие интенсивности, при которых возникает много нелинейных эффектов. Здесь работают известные физические законы. Видимый диапазон открывает другие возможности. Одна их них - получение рентгеновского лазера в окне прозрачности воды, то есть получение лазерного пучка в рентгеновском диапазоне - длина волны3-4 нанометра - который прозрачен в воде, не поглощается в воде. С помощью него можно изучать живые клетки, сейчас их изучают только сухие, без воды, а их можно изучать живые, то есть мокрые. Результат – это получение голограмм - объёмных картинок, видно, что происходит в клетке растений, животных, человека. Видимый диапазонный лазер позволит в будущем осуществитьполучение трехмерного изображения с наноразмерами с наносекундным временным разрешением, возможно будет увидеть полную картину – это мечта каждого учёного, ибо в итоге можно получить максимально всю информацию.

Валерий Фёдорович Лосев, начальник лаборатории газовых лазеров, доктор физико-математических наук

Часть II

Александр Викторович Шишлов, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук пригласил нас в высоковольтный зал установки ГИТ-12:

— Изначально установка была запланирована как электрофизический комплекс ГИТ-16. Как Вы видите, здесь 16 модулей, запущена в эксплуатацию установка в начале 90-х годов, сначала было подключено 8 модулей, в 1995 году подключили ещё 4. Сейчас она используется в такой конфигурации. Это генератор терраватной мощности, который обеспечивает электрофизической нагрузкой ток с большой амплитудой.

— Какие исследования проводятся на установке?

— Здесь проводятся два типа исследований. Первый – исследования по импульсной технике, то есть, как и дальнейшее развитие самого генератора, так и отработка некоторых элементов импульсной техники, и, собственно, использование генератора для работы на электрофизическую нагрузку, в частности, мы используем для экспериментов с зет-пинчами.

— Каковы эти эксперименты? В чём особенность этой установки?

— Это одна из самых крупных установок в России. Она может работать в нескольких режимах. Режим, когда она работает с плазменными ключами, она обеспечивает нагрузки тока примерно 2,5 мегаампер со скоростью нарастания тока 250 миллисекунд. Если плазменные ключи убрать и делать вывод энергии из генераторов максимальную нагрузку напрямую, то амплитуда тока будет до 4,7 мегаампер. Правда, увеличится время вывода энергии.

Как я уже сказал, мы работаем с зет-пинчами. Зет-пинч – это плазменный шнур. Получается он в эксперименте следующим образом. Вначале создаётся некая оболочка, это может быть газ, либо проволочка, которая стоит на образующих цилиндрах, и когда по ним пропускается ток такой большой амплитуды, газ ионизируется, а проволочки взрываются, то есть вещество переходит в плазменное состояние и собственным магнитным полем происходит ускорение вещества к центру. Так как ток большой, то и ускорение достаточно большое, в финале скорость вещества достигает порядка несколько единиц на 10 в 7ой см в секунду. Потом это все вещество сталкивается на оси. Как Вы помните из курса физики, кинетическая энергия переходит в тепловую. Происходит ещё большая ионизация вещества, на оси образуется плазменный столб, этот столб называют зет-пинчом. Мы проводим эксперименты: разгоняем вещество, чтобы оно устойчиво сжалось, пытаемся достичь неких предельных параметров. Изначально такие эксперименты начались в 50-годах. Их базовая идея – осуществить реакцию термоядерного синтеза. Возьмём смесь дейтерий третий, запустим её, сожмем. В момент сжатия температура увеличится очень сильно. Будут достигнуты параметры, при которых произойдет реакция зажигания, реакция термоядерного синтеза. К сожалению, все оказалось не так просто. Плазма, которая ускоряется, становится неустойчивой. Мы очень быстро поняли, что для такой реализации установка нужна гораздо большей мощности. В принципе, сама плазма зет-пинча интересна с точки зрения рентгеновского излучения, из зет-пинча можно сделать самый мощный из лабораторных источников. В частности, в последние годы мы, например, проводим эксперименты по генерации нейтронов.

— Немножко бытовой вопрос. Если на коллайдере пытаются получить антиматерию, то тут Вы хотите получить зет-пинчи?

— Мы с помощью генератора получаем плазму. А в зависимости от того, какого она характера, мы можем из неё получить мощный поток рентгеновского излучения, либо, например, нейтронного излучения.

— Какие есть неожиданные результаты?

— Если говорить о последних экспериментах, мы начали исследовать генерацию нейтронов. Такие эксперименты проводились на нескольких установках. Самая крупная находится в Америке, несколько установок в России, в Англии есть установка меньшей мощности. Мы хотели понять и оценить, сколько мы можем сгенерировать нейтронов, как это соотносится с теми результатами, которые получены на других установках. В начале наших экспериментов мы получили выход 2 на 10 (в 11 степени) нейтронов.

Чем больше выход установки, чем больше тока она может произвести, тем больше нейтронов можно получить. Есть некий график, мы получили точку на этом графике, которая в него вписывается. Год назад мы попробовали модифицировать нагрузку, снаружи убрали одну оболочку дейтерия и поставили плазменную. За счёт этого, как мы считаем, нам удалось сконцентрировать больше тока. Мы сумели повысить выход нейтронов на порядок - в лучших «выстрелах» 3 на 10 в 12 нейтронов. Это неожиданно хороший результат. Американцы получили такой же выход генератором около 10 мегампер. Мы работаем на ток 3 мегаампер. Сейчас мы продолжаем исследования такой нагрузкой, пытаемся понять, за счёт чего, за счёт каких механизмов это произошло.

— Как это делается? Теоретики приходят к Вам или Вы сами намечаете себе эксперимент, в результат которого отдаете теоретикам на анализ?

— Бывает по-разному. Иногда теоретики предлагают схемы для проверки в эксперименте.

Иногда получается наоборот. Начали какие-то эксперименты, есть какие-то ожидания, следующие из теоретических предпосылок. Вдруг потом обнаружатся неожиданные результаты. Тогда теоретики могут их анализировать, сравнивать с расчетами, предлагать какие-то модели. Это симбиоз, дорога в двух направлениях.

В отделе высоких плотностей энергии старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Станислав Анатольевич Чайковский познакомил нас с генератором «МИГ» (многоцелевой импульсный генератор), который существует с 1996 года и уже долгое время является визитной карточкой института:

— Генератор отличается высокой мощностью - 2.5 терраватт. «МИГ» предназначен для генерации электромагнитного импульса, и в дальнейшем при подаче этого импульса на то, что мы называем нагрузкой можно получить мощный электронный пучок, который при взаимодействии с мишенью может генерировать импульс мощного жесткого рентгеновского излучения в различных спектральных диапазонах и с высокой мощностью дозы. Другое направление работы - сжатие плазменных лайнеров. Это специальное исследование, которое находится в русле проблем управляемого термоядерного синтеза. Конечно, мощности нашего генератора не достаточно, для того чтобы впрямую решать эти проблемы. Если у нас 3 мегаампера ток, то хотя бы для пороговых экспериментов необходим ток 50 мегаампер. Мы можем изучать те вещи, которые, имеют некоторый скелинг, то есть они будут себя так же вести, например, на более высоких токах или мы получим какую-то зависимость и поймём, как они будут себя вести на больших токах. Примером является устойчивость сжатия плазменного лайнера. Это одна из концепций термоядерного синтеза. Сжать вещество под действием так называемого пинч-эффекта (в результате получается плотная высокотемпературная плазма) и излучение этой плазмы направить на мишень, которая будет содержать термоядерное горючее, оно в свою очередь сожмётся, взорвётся и в идеале даст положительный выход энергии. Еще одно направление - вопрос взаимодействия сверхсильного магнитного поля с поверхностью материалов при высокой скорости нарастания магнитного поля. Здесь можно исследовать поведение металлов в магнитных полях порядка 6 миллионов градусов. Поведение металлов там чрезвычайно интересно. В частности развиваются неустойчивости, это касается ряда концепций реализации термоядерного синтеза на лабораторных установках, генерирущих токи мегаамперного и мультимегаамперного диапазона.

Эта статья – не отчёт о проделанной работе, это вопрос к президенту и правительству, целенаправленно реализующим реформу РАН: «И Вы хотите всё это уничтожить сокращением кадров, сокращением государственного финансирования, эффективным менеджментом новых директоров институтов, которым по новому закону сейчас даже не обязательно будет иметь научную степень»? На ум приходит только строчка из песни Высоцкого: «Возле сердца коли мы профили, чтоб он слышал, как рвутся сердца».

Сердце наукограда – это учёный секретарь ИСЭ, Игорь Валерьевич Пегель, доктор физико-математических наук, профессор, человек неуспокоенный, ответственный и строгий, и что странно на этой должности, совершенно не бюрократического характера личность. Именно его усилиями в СМИ создаётся лицо института, поддерживаются все связи с вышестоящими организациями РАН, а теперь ФАНО и администрацией города. Он успевает при этом писать научные труды и с большим успехом преподавать.

Сердце наукограда – это директор института сильноточной электроники, председатель томского научного центра, член-корреспондент РАН, Николай Александрович Ратахин, человек высочайших моральных принципов, блестящий учёный, у которого болит душа за судьбу отечественной науки.

Сердце наукограда – это основатель ИСЭ, Геннадий Андреевич Месяц, академик РАН, доктор физико-математических наук, директор ФИАМ имени Лебедева, интеллигентнейший человек, дух которого до сих пор в Томске, на малой родине, вдохновляет и подпитывает его последователей и соратников.

Сердце наукограда – это люди, учёные, инженеры, рабочие, это биения их сердец двигают кровь современной науки.

Татьяна Котляревская - Томск, июль 2014