http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=0e3406a2-c1c8-4846-9de0-c587f6ef84aa&print=1
© 2019 Российская академия наук

Наследники Мандельштама

30.08.2010

Источник: Эксперт, Александр Механик



Институт прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде сумел превратиться в настоящий технопарк, в центре которого — фундаментальные научные разработки, дополняемые опытно-конструкторскими, а на периферии — цепочка малых инновационных предприятий

Приглашая нас посмотреть нижегородский Институт прикладной физики, его директор академик РАН Александр Литвак заметил: «Наука в России постепенно перемещается в географическую провинцию. Развивать ее в столицах стало нерентабельно. В том числе потому, что в Москве слишком много других привлекательных занятий с достойной зарплатой, которые способны занять умных молодых людей». Мы уже слышали об этом не совсем стандартном НИИ, ведущем исследования по всему спектру физики колебаний — от фемтосекундных лазеров до гидроакустики. Особый интерес вызывало у нас то обстоятельство, что ИПФ умудрился окружить себя кольцом инновационных фирм, производящих высокотехнологичные продукты для самых разных рынков, а в последние годы начать новые масштабные исследовательские проекты. Поэтому мы отправились в «провинцию», которую коллеги на самом деле называют столицей нелинейной науки.

Конечно, наука перемещается не в случайную провинцию, а туда, где научные центры возникли еще в советские времена, где укоренились серьезные научные школы. Со времен знаменитой Нижегородской радиолаборатории (1918–1928) в Нижнем Новгороде (Горьком) жили и работали ученые, известные своими трудами по теории колебаний, статистической радиофизике, распространению радиоволн, электродинамике и электронике сверхвысоких частот: В. П. Лебединский, М. А. Бонч-Бруевич, В. П. Вологдин, В. А. Котельников, А. А. Пистолькорс.

В начале 1930−х в Нижний Новгород для работы в Горьковском исследовательском физико-техническом институте приехали московские ученые — ученики академика Мандельштама А. А. Андронов, В. И. Гапонов, М. Т. Грехова, Е. А. Леонтович, Г. С. Горелик, которые, в лучших традициях русской и советской научной интеллигенции, рассматривали создание крупных центров науки в провинции как важнейшую государственную задачу. Их усилиями и была основана нижегородская научная радиофизическая школа.

В самом начале войны А. А. Андронов и М. Т. Грехова обратились к руководству страны с письмом, где указывались перспективы радиолокации и предлагалось организовать подготовку специалистов в этой области. Именно поэтому в 1945 году в Горьковском университете (ГГУ) был создан первый в СССР радиофизический факультет, деканом которого стала М. Т. Грехова. В 1956 году по ее инициативе при ГГУ был создан Научно-исследовательский радиофизический институт (НИРФИ).

А уже в 1977−м на базе нескольких отделов НИРФИ был создан ИПФ РАН, первым директором которого стал будущий академик А. В. Гапонов-Грехов (в настоящее время научный руководитель института).

Поразительное разнообразие направлений исследований, ведущихся в институте, которые распределены по трем отделениям (физики плазмы и электроники больших мощностей, гидрофизики и гидроакустики, нелинейной динамики и оптики), связано с широтой взглядов, свойственных «мандельштамовскому десанту». Вот что говорил об этом сам отец-основатель отечественной школы колебаний Леонид Мандельштам: «Наука о колебаниях объединяет явления не по физическому содержанию нашего восприятия, а по общности подхода к изучению, по общности формы закономерностей при крайне разнородном содержании явлений… Изучая одну область, вы получаете тем самым интуицию и знания в совсем другой. Вы получаете возможность проводить далеко идущие аналогии».

Нижегородский гиперболоид

Одним из достижений института в советский период было создание гиротрона — то есть мазера, прибора, аналогичного лазеру, но работающего в СВЧ-диапазоне. Гиротрон нашел применение в установках управляемого термоядерного синтеза, в радиолокации и в технологиях вакуумного напыления. Две трети токамаков в мире оснащены гиротронами, произведенными в Нижнем Новгороде.

Александр Литвак сравнил гиротрон с гиперболоидом инженера Гарина. «Из нашего гиротрона можно сделать почти то же самое. И американцы пытаются делать. Сверхмощные гиротроны на частотах от 30 до 170 гигагерц способны генерировать до 1 мегаватта в непрерывном режиме. Американцы вначале проморгали эти возможности. Потом, когда мы стали публиковать наши результаты, бросились догонять. Но мы все время были впереди и остаемся лидерами. И именно гиротрон помог нам выжить в новые времена».

Когда эти новые времена начались, в 1992 году, группа сотрудников ИПФ, Курчатовского института и двух предприятий электронной промышленности — всего около 30 человек тех, кто внес существенный вклад в разработку, производство и применение гиротронов, — учредила фирму ГИКОМ. «Мы поняли, что единственный путь выжить — спасаться самим, коммерциализируя, если говорить современным языком, наши достижения, и первым, что мы стали делать на продажу, стали гиротроны. Посоветоваться было не с кем, до всех тонкостей бизнеса приходилось доходить самим. Заключили было договор с одной американской фирмой, но та нарушила его, отказавшись платить роялти за использование ноу-хау института. Благо незадолго до этого в Нижнем побывала делегация американских юристов, у нас остались связи. Обратились к ним за помощью. Удалось так подготовиться к суду, что американская фирма пошла на мировую и заплатила деньги, но они все ушли на юристов».

Первый гиротрон ГИКОМ поставил в Германию, в Институт физики плазмы Общества Макса Планка, практически бесплатно, для того чтобы там увидели, что этим можно пользоваться. А затем ГИКОМ начал участвовать в международных тендерах, выигрывать их и поставлять гиротроны повсеместно. Токамак, строящийся в рамках международного проекта ITER, тоже будет оснащен гиротронами из ГИКОМа. ГИКОМ работает в тесной связке с ИПФ, и для большинства заказов, которые получает, научное сопровождение или новые разработки приборов он перезаказывает институту. Именно ГИКОМ дал возможность обеспечивать сотрудников института зарплатой в самые трудные времена. Литвак гордится тем, что за двадцать лет зарплату в институте не задерживали ни разу.

Создание гиротронов потребовало решения, казалось бы, вспомогательной задачи — изготовления окна для вывода излучения. Дело в том, что гиротрон — это вакуумный прибор. Его мощность, этот самый мегаватт, генерируется внутри вакуума. Ее надо вывести наружу. Значит, нужно окно, разделяющее вакуум и атмосферу, которое должно мало поглощать и иметь хорошую теплопроводность. Лучше всего для этого подходит поликристаллический алмазный диск. У него высокая прозрачность на частотах излучения гиротрона, а теплопроводность даже в четыре раза выше, чем у меди. Основным производителем таких дисков до недавнего времени была компания De Beers. Для окна гиротрона нужен диск диаметром 100 мм и толщиной 1,5–2 мм, который изготавливается более 50 дней и стоит 120 тыс. евро. И в ИПФ решили освоить производство этих окон самостоятельно.

Технология изготовления алмазного поликристаллического покрытия заключается в создании СВЧ-разряда в газовой смеси метана и водорода. Метан распадается, углерод осаждается на подложку в виде алмазного покрытия, а возбужденный атомарный водород вычищает с подложки графит. И чем выше частота разряда, тем выше скорость напыления. В De Beers используются традиционные СВЧ-генераторы микроволнового излучения с частотой, как в микроволновых печах, а в ИПФ применили в качестве источника СВЧ-разряда гиротрон, частота излучения которого на порядок выше. В результате получили очень высокую скорость напыления — в пять-семь раз больше, чем у De Beers. Как сказал заведующий лабораторией физики СВЧ-разряда и синтеза углеродных материалов Анатолий Вихарев, «мы не только разработали технологию и оборудование высокоскоростного выращивания алмазных пленок, но и патентуем ее во всех странах мира». Теперь ИПФ готов поставлять эти окна всем желающим.

По аналогичной технологии в ИПФ научились выращивать и моноалмазы размером до нескольких миллиметров, которые предполагается использовать в новом направлении полупроводниковой техники — алмазной электронике. Оказалось, что если алмаз легировать, то на нем можно делать транзисторы. Поскольку у алмаза очень высокая теплопроводность, в полупроводниковых микросхемах на алмазе могут быть существенно уменьшены размеры элементов или при тех же масштабах можно получить существенно большую мощность изделия либо температуру его эксплуатации. Например, англичане уже создали транзистор, который стоит на аэробусе А380 и контролирует температуру турбины при температуре 400 градусов. Сейчас аналогичные работы ведутся ИПФ совместно с другими российскими организациями.

Океан в институте

Для бизнеса в области ультразвуковой техники было создано малое предприятие «Медуза». Один из его создателей, заведующий сектором инновационных программ института Алексей Кириллов, рассказывает: «До 1998 года мы оснастили медицинскими ультразвуковыми диагностическими приборами практически всю Россию, несколько приборов ушло за рубеж. Но потом появились китайцы, корейцы. Чтобы с ними конкурировать, надо было очень сильно развивать производство и уходить из института. Поэтому мы решили преобразоваться в инжиниринговую компанию. Мы разрабатываем изделие и проводим его испытание. Понимаем, куда его надо внедрить, как его надо внедрить. Делаем сертификацию этого изделия и передаем на производство тем людям, которые лучше умеют это делать, на условиях лицензионного соглашения. На тех же основаниях делаем и дефектоскопы для железных дорог. А сейчас примерно по такой же технологии готовим к выпуску приборы для “Газпрома”. Разного рода ультразвуковые измерители уровня, толщиномеры всяких емкостей и так далее».

Но основным направлением работы института в области акустики является дистанционная акустическая диагностика океана и томография подводных объектов, например подводных лодок. Как рассказал нам заместитель руководителя отделения гидрофизики и гидроакустики Александр Малеханов, «институт является ведущим разработчиком систем, обеспечивающих активное акустическое освещение подводной обстановки, — их теории и инструментального обеспечения — в России, а возможно, и в мире. А в пассивной акустической локации институт занимается изучением шумности подводных объектов. Мы изготавливаем модель подводного судна в определенном масштабе, помещаем ее в водоем и размещаем на этой модели датчики, а вокруг нее — акустические антенны, чтобы понять, как шумовой сигнал из одного отсека распространяется в целом по корпусу и в окружающем пространстве, и даем рекомендации проектировщикам».

Разработка всей этой аппаратуры, естественно, невозможна без досконального понимания физических свойств океана. В результате исследований выяснилось, что в океане существует приповерхностный слой, возникающий в результате температурной стратификации и ведущий себя в акустическом диапазоне как своеобразный волновод. Для изучения динамических и волновых процессов, протекающих в океане, в лабораторных условиях в институте было создано два уникальных бассейна, не имеющих мировых аналогов: термостратифицированный бассейн, воспроизводящий типичный профиль этого самого природного волновода в масштабе 1:100, и кольцевой ветроволновой бассейн, предназначенный для моделирования ветровых волнений и их взаимодействия с внутренними волнами и пленками на поверхности волны. Наличие серьезных научных достижений и соответствующей исследовательской базы позволили развивать бизнес и в области гидроакустики, для чего был создан научно-технологический центр «Гран».

Настольный коллайдер

По схожему с ГИКОМом и «Медузой» сценарию была создана компания «Биомедтех», которая выпускает медицинские приборы для оптической томографии. Аналогичная компания была создана сотрудниками ИПФ в Америке, где она сумела получить разрешение на соответствующую диагностику.

Метод оптической когерентной томографии появился в результате исследований, которые показали, что для излучения в ближнем инфракрасном диапазоне в биоткани существует так называемое терапевтическое окно прозрачности и, таким образом, появляется возможность оптической локации опухолей, находящихся на глубине 1,5–2 мм. Этот метод может быть использован, в частности, при гастроскопии на ранних стадиях развития опухолей. В ИПФ была разработана и оптическая диффузионная томография для более глубокой локации, до нескольких сантиметров, правда, с меньшим разрешением, для мониторинга молочной железы.

В оптической томографии используются лазеры с длительностью импульса несколько фемтосекунд (10–15 сек), разработку которых институт начал буквально на переломе эпох, в конце 1991 года. И несмотря на фактическое отсутствие государственного финансирования в 1990−е, сумел изыскать средства и достичь серьезных научных результатов.

Фемтосекундные лазеры имеют не только медицинское применение. В ИПФ был создан один из самых мощных источников лазерного излучения в мире с мощностью полпетаватта (1015 Вт) и длительностью импульса несколько фемтосекунд. При фокусировке такого импульса в вакуумной камере на мишени достигается интенсивность излучения до 1022 Вт/см2. Это поле приблизительно на три порядка больше по величине, чем поле, которое удерживает электроны в атоме водорода. А длительность импульса меньше длительности колебаний атомов в молекулах. Это значит, что с помощью этого лазера можно исследовать процессы, происходящие внутри молекул, получить новые состояния вещества, исследовать неизвестные свойства вакуума. Как сказал начальник отделения нелинейной динамики ИПФ член-корреспондент РАН Александр Сергеев, «имея такой лазер, мы можем вскипятить вакуум и получить электрон-позитронную плазму».

Благодаря столь высокой интенсивности излучения фемтосекундные лазеры могут быть использованы в установках лазерного термоядерного синтеза для поджига реакции. А также для изучения процессов, происходящих в центре ядерного взрыва.

Такой лазер позволяет в компактном, фактически настольном варианте проводить эксперименты, которые сейчас можно делать только на ускорителях типа большого адронного коллайдера. Вышибая из мишени электроны и протоны, можно ускорять их до очень высоких энергий. По словам Александра Сергеева, «фокусируя лазерное излучение на газовую струю, мы получаем темп ускорения атомов один гигаэлектронвольт на сантиметр. Это на три-четыре порядка больше, чем максимальный градиент ускорения, который получают на больших ускорителях. Самый большой суперколлайдер для электронов — Стэнфордский линейный ускоритель в Стэнфордском университете. У него энергия 50 гигаэлектронвольт на длине три километра. То есть у него один гига¬электронвольт на 60 метров, а у нас один гигаэлектронвольт на сантиметр».

Благодаря своим достижениям в области мощных лазеров ИПФ приглашен в число участников европейского проекта ELI (Extreme Light Infrastructure) по созданию лазера экзаваттной мощности. Это приблизительно на два с половиной порядка больше того, что есть сейчас.

Система взаимной заинтересованности

В результате двадцати лет развития и приспособления к новым условиям институт и окружающие его малые предприятия создали систему, в рамках которой они оказались взаимно заинтересованы друг в друге.

В силу запретов, налагавшихся на бюджетные учреждения, ИПФ не мог участвовать в создании малых предприятий, поэтому такие предприятия создавались его сотрудниками. Но предприятия эти удерживались в орбите института, потому что опирались на его фундаментальные разработки, потому что им была нужна его инфраструктура — производственные и испытательные мощности, инженерное обслуживание, а бренд ИПФ привлекал заказчиков. Кроме того, пребывание на одной площадке позволяло малым предприятиям оптимизировать расходы на аренду, а сотрудникам института — совмещать работу в институте и на малых предприятиях.

Что касается инфраструктуры, то в ИПФ еще в советские времена было создано и сохранилось достаточно мощное опытное производство и инженерные лаборатории, позволяющие изготавливать практически все необходимые стенды и установки. Именно в наличии этой инфраструктуры Александр Литвак видит преимущество в конкретных российских условиях институтской формы организации фундаментальной науки, которую нельзя заменить поддержкой отдельных лабораторий или ученых. Особенно в тех областях науки и наукоемкого бизнеса, где требуются большие стенды и серьезное инженерное сопровождение.

Именно наличие мощной производственной и инженерной базы позволило ИПФ после развала отраслевой науки выполнять не только традиционные для академических институтов научно-исследовательские, но и опытно-конструкторские разработки, в рамках которых разрабатываются и приборы для последующего серийного производства, и базовые технологии, и необходимое технологическое оборудование, то есть осуществлять полный цикл научных и инженерных разработок.

Тем самым ИПФ получил возможность, с одной стороны, быть более свободным в выборе тематики исследований и независимым в собственных разработках, а с другой — привязывать разработчиков из других научных центров и институтов к своим возможностям.

Союз с малыми предприятиями позволяет институту решать и кадровые проблемы. Как говорит Александр Литвак, «во-первых, поощряя малые предприятия, мы дополняем заработную плату наших сотрудников. Во-вторых, когда приходит нужный человек, а у нас нет свободных ставок, его либо берут в институт на работу по контракту с одним из малых предприятий, либо договариваются с малым предприятием, куда берут нужного человека, и он выполняет работу для института. Конечно, чисто психологически многим это сложно, они чувствуют себя людьми второго сорта. Но я даю им личное обязательство, что обеспечу им фактически бессрочный контракт. Мы не теряем квалифицированные кадры».

Эти кадры институт в основном получает с базового факультета Нижегородского университета — Высшей школы общей и прикладной физики (ВШОПФ), выпускники которой практически полностью вливаются в состав института. В результате в институте уже сформировалась большая группа сотрудников, которые связаны с ним еще со школьной скамьи.

Ребята проводят в ИПФ 100% учебного времени. Здесь слушают лекции, делают лабораторные, курсовые и диплом. Выпуск школы может составлять 20, а может — и 14 человек. Декан факультета-школы Михаил Токман, его единственный штатный сотрудник, говорит, что «сотрудники ИПФ преподают в нашей школе не потому, что им деньги платят. Это решение проблемы выживания всей нашей научной школы».

Нелинейные мозги

Успехи института и общий подъем науки в России в последнее время позволили ИПФ заняться совершенно новыми направлениями исследований, обращение к которым основано на достижениях института в развитии приборной базы и все на том же широком мандельштамовском понимании общности различных волновых процессов.

Одно из них ведет вернувшийся из США выпускник Высшей школы общей и прикладной физики при ИПФ Андрей Турлапов.

Суть работы Турлапова и его сотрудников — изучение газообразного вещества при сверхнизких температурах, при которых происходит его квантовое вырождение*. Если пренебречь деталями, то на конечном этапе эксперимента этот результат достигается тем, что навстречу состоящему из изотопов лития-6 пучку атомов газа, находящемуся в фокусе лазера, посылается точно такой же, и возникает стоячая волна атомов. В областях пучности этой волны и достигаются искомые сверхнизкие температуры.

По словам Андрея Турлапова, эти «эксперименты имеют не только фундаментальный интерес: процессы сверхтекучести, которые предсказаны для ультрахолодного газа, с точки зрения уравнений похожи на процессы комнатнотемпературной сверхпроводимости». Но в отличие от исследуемых сверхпроводников газ очень удобен для проверки теории, поскольку является идеально чистым и беспримесным, а его параметры могут варьироваться в широких пределах. Кроме того, этот газ — единственная на данный момент двумерная ферми-система, которая может быть напрямую сфотографирована. Другим побочным эффектом этой работы может стать создание сверхточных часов для системы ГЛОНАСС, о чем уже ведутся переговоры с ее разработчиками.

В институте занимаются и довольно экзотическими для непосвященного проблемами астрофизики. Ведь, как сказал в интервью «Эксперту» академик РАН Владимир Захаров, к слову, активно сотрудничающий с ИПФ, некоторые астрофизические процессы, например взаимодействие двух черных дыр, математически можно рассматривать как нелинейный волновой процесс (см. «Эксперт» № 24 от 21 июня 2010 года). Как пояснил доктор физико-математических наук и, к слову, председатель профсоюза Академиии наук, Вячеслав Вдовин, «есть идея, что в районе черных дыр существуют так называемые кротовые норы, через которые можно посмотреть в недра других вселенных. Для их обнаружения используются приемники предельно слабого электромагнитного излучения в диапазоне терагерцевых волн. Технические требования к таким приемникам уже сформулированы, и моя группа сейчас как раз ими занимается». Это высокочувствительная криоэлектронная аппаратура глубокого, до 0,3 К, охлаждения миллиметрового и субмиллиметрового диапазона, которая кроме астрофизики может быть применена и для атмосферной спектроскопии, для распознавания в дыму и тумане объектов, которые не видит инфракрасный датчик.

Но самым неожиданным для нас новым направлением оказались когнитивные исследования мозга, которые ИПФ ведет совместно с членом-корреспондентом РАН Константином Анохиным. Мозг, как известно, очень сложен. Для его изучения нужна относительно простая модель, в которой функционирует какое-то минимальное число нейронов, с минимальным числом синапсов. И эта модель создана биологами Нижегородского университета и функционирует в ИПФ: это специальным образом выращенная культура нейронов, взятых на стадии внутриутробного развития из мозга еще не родившегося мышонка. Их помещают в физраствор на пластинку, к которой подведены электроды, и под микроскопом наблюдают, как у нейронов в соответствии с генетической программой отрастают аксоны, образуются синапсы. Этот кусочек биологического мозга начинает реагировать на электрические сигналы и сам их генерировать. Фактически, как сказал Александр Сергеев, он оживает. Создавая обратные связи, можно увидеть появление элементов памяти и обучения. Прохождение и распространение этих сигналов можно фиксировать с помощью того же оптического томографа. «Наша задача, — говорит Александр Сергеев, — создать на основе изучения такой биологической модели математическую модель поведения мозга, для построения которой необходимы методы, применяемые в нелинейной физике. А это как раз наша специальность».