Наука
Так это было... (окончание)
Обнаруженное явление аномального увеличения сечения обратного рассеяния альфа-частиц на легких ядрах стало основой предложения И.П.Чернова и Б.И.Кузнецова использовать его для определения содержания кислорода, азота и углерода в тонких пленках различных материалов. Практической ценностью этих работ явилась возможность повышения выхода годных изделий электронной техники, что было опробировано на ряде предприятий.
Развитие метода резонансного обратного рассеяния, исследование аналитических характеристик и внедрение методик анализа приповерхностных слоев сверхпроводящих материалов на основе ниобия и его сплавов, тугоплавких металлов, полупроводниковых пленарных структур было осуществлено группой сотрудников под руководством А.А.Ятиса (Г.Я.Стародуб, В.М.Заводчиков, В.В.Сохорева). Был развит метод ядер отдачи для определения микропримесей легчайших элементов (дейтерия, гелия, водорода) в приповерхностных слоях любых материалов (В.А.Матусевич, В.В.Козырь, В.Н.Шадрин).
Принципиально новые результаты получены с использованием развиваемых ядерных методов в сочетании с эффектом каналирования. Экспериментальная работа на циклотроне и ЭСГ-2,5 по определению местонахождения кислорода, имплантированного в монокристалл кремния, методикой, объединившей резонансное обратное рассеяние с эффектом каналирования, является уникальной (Ю.АТимошников, Ю.Ю.Крючков).
Прикладные исследования с использованием методов ядерной физики были ориентированы, прежде всего, на удовлетворение запросов предприятий г.Томска. В 1973 г. Р.П.Мещеряковым были начаты работы по дистанционным методам элементного анализа материалов, основанных на измерении вторичных излучений, возникающих при взаимодействии электронных пучков и пучков высокоэнергетического электромагнитного излучения с мишенью (М.Р.Яковлев, Б.Жалсараев, В.М.Головков).
В развитии и внедрении ядерных методов институт постоянно ощущал поддержку и помощь академика Г.Н.Флерова.
В последние годы на циклотроне ведутся работы по ядерной медицине. В начале 80-х годов на базе циклотрона совместно с НИИ онкологии (г.Томск) был организован медико-биологический комплекс для проведения дистанционной нейтронной терапии злокачественных опухолей. Начиная с 1983 г. проводится регулярное лечение больных. Пролечено свыше 600 больных. Этот центр является единственным в России.
В 1987 г. на циклотроне были проведены работы по получению коротко-живущего радионуклида таллия-199 и нового отечественного препарата 199-таллий-хлорид для сцинтиграфии миокарда. Успешно прошел клинические испытания также новый отечественный радиофармпрепарат 199-таллий-диэтилдитиокарбамат для диагностики заболеваний сосудов головного мозга (Г.Г.Глухов, А.И.Комов, В.С.Скуридин, А.Т.Рыбасов, В. Г. Паутов).
В 1995 г. начаты работы по получению на циклотроне очень перспективного радионуклида йод-123, необходимого для диагностики многих заболеваний человека (А.И.Комов, В.С.Скуридин, А.Г.Рыбасов).
С 1992 г. на циклотроне начаты работы по освоению технологии производства ядерных фильтров (трековых мембран) . Для этого потребовалось произвести работы по модернизации систем циклотрона для получения пучка ионов аргона с энергией около 40 МэВ, разработать и изготовить оборудование для облучения и обработки трековых мембран. Отличительная особенность трековых мембран, полученных на циклотроне НИИ ЯФ, существенно меньшая стоимость их изготовления. В работе активное участие принимали Головков В.М., Комов А.И., Пирогов Н.В., Сохарева В.В., Мирончик В.Т. и др.
Ближайшая перспектива развития работ на циклотроне связана с расширением производства и синтеза новых радиофармпрепаратов на основе таллия-199, йода-123 для нужд медицинских учреждений не только Томска, но и соседних городов региона - Кемерово, Новосибирска, Барнаула, созданием центра радионуклидной диагностики с использованием технологий одно-фотонной сцинтиграфии и позитронной томографии, развитие методов нейтронной терапии онкологических заболеваний, освоение производства фильтров питьевой воды на основе трековых мембран.
Электростатический генератор ЭГ-2,5 с током пучка до 100 мкА и регулируемой энергией от 300 КэВ до 2,2 МэВ, позволяющий получать пучки как электронов, так и ионов различной массы, начиная от водорода, кончая ураном, был запущен в эксплуатацию в 1964 году. В запуске ускорителя и его эксплуатации принимали активное участие Васильев Е.М., Зингер К.К., Карпов СП., Ермошин В.Н., Кохаткин Н.И. Первоначально на ЭГ-2,5 на электронах выполнялись работы по исследованию радиационного воздействия излучения (электронов, g-квантов) на различные материалы (полупроводники, изоляторы, кристаллы) и изделия. В исследованиях принимали участие сотрудники кафедры физики твердого тела ТПИ, физико-технического факультета ТПУ, институты Москвы и других городов СССР.
В 1976 году в связи с развитием ядерно-физических методов элементного микроанализа ЭГ-2,5 был переведен в режим ускорения протонов и альфа-частиц, а в дальнейшем ионов азота, аргона и ксенона с энергий до 2,2 МэВ. Обладая уникальными свойствами по сравнению с другими ускорителями: высокой стабильностью энергии и тока пучка (DE = 0,02 %), высоким к.п.д. и низким потреблением электроэнергии ~ 25 кВт/час, возможностью плавно изменять энергии во всем диапазоне от 300 кэВ до 2,2 МэВ, - ЭГ-2,5 стал в 80-х годах базовым для развития и получения новых методик ядерного микроанализа.
Для проведения исследований была разработана автоматизированная установка на основе эффекта каналирования в сочетании с ядерно-физическими методами анализа. Был выполнен большой объем работ по определению местоположения атомов микропримеси и собственных межузельных атомов; определение профиля распределения дефектов в приповерхностных слоях, идентифицирования типа дефектов кристаллической решетки (точечные, протяженные, объемные). Эти исследования были выполнены Крючковым Ю.Ю., Веригиным А.Л.
В 80-х годах разработана аппаратура и методика для рентгеноспектрального анализа с ионным возбуждением (Кузнецов Б.И., Шипилов АЛ., Пузыревич А.Г.). Метод рентгеноспектрального анализа с ионным возбуждением обладает наибольшей чувствительностью и позволяет проводить анализ практически любых материалов, включая и многокомпозиционные.
Новые возможности ядерно-физических методов анализа открываются при применении ионных пучков микронных размеров. Пучок ионов диаметром несколько микрон позволяет исследовать элементный состав мелкодисперсных сред, механизм износа материалов, распределение легирующих добавок в имплантированных слоях, проводить анализ биологических объектов.
В 1986 году Пузыревичем А.Г., Рябчиковым А.И., Шипиловым АЛ. была запущена в эксплуатацию первая в СССР установка ядерного микрозонда на основе квадруплета квадрупольных линз с диаметром микропучка 10 мкм, энергией 2 МэВ. На установке ядерного микрозонда была разработана новая методика определения профиля распределения примеси по глубине с разрешением не хуже 20 А (Рябчиков А.И., Иммель А.Г., Пузыревич А.Г., Шипилов АЛ.).
В 1996 году на электростатическом ускорителе был разработан метод мгновенной гамма-спектроскопии по ядерной реакции 27А1(р, g)28Si для определения концентрации и профиля распределения А1 по глубине в электронных приборах на основе кремния (Рыжков В.А.). С целью расширения возможности практического применения ЭГ-2,5 в последние годы была разработана технология радиационой утилизации биологических отходов на основе целлюлозы, которая позволяла полностью осуществлять переработку опилок, стружек, хвои, соломы и других целлюлозосодержащих материалов с получением сахара и ценных кормовых добавок, а также выращивать пищевые грибы типа вешенок (Мизина Т.Ю., Ремнев Г.Е., Пузыревич А.Г.).
Наряду с ядерными методами в институте развивались атомно-физические методы анализа состава и структуры поверхности (руководитель Косицын Л.Г.). В 1974 г. начались теоретические исследования по обоснованию применимости для анализа поверхности методов Оже-электронной спектроскопии и спектроскопии рассеяния ионов низких энергий, а с 1975 года - метода масс-спектроскопии вторичных ионов (Л.Г.Косицын, В.П.Яновский, Л.Н.Пучкарева, В.Н.Радюшкина). Были созданы ряд установок вторичной ионной масс-спектрометрии - ВИМС.
В этой же лаборатории были созданы имитаторы, позволяющие воспроизводить околоземный космос, зону радиационных поясов земли и межпланетное космическое пространство (Михайлов М.М., Косицын Л.Г., Дворецкий М.И., Пономарев В.П., Кузнецов Б.И., Гуртеченко Г.В., Рылкин Ю.А. Комаров Е.В.).
Разработаны физические основы радиационного дефектообразования, создана теория и физико-математические модели деградации, разработаны программы расчетов и методики математического прогнозирования, проведены наземные испытания и выдан прогноз работоспособности до 10 лет целого класса терморегулирующих покрытий для спутников «Союз», «Салют», «Мир», «Молния», «Экран», «Горизонт», «Гейзер», «Радуга», «Космос». Работа выполнялась под руководством Михайлова М.М, существенный вклад в нее внесли Дворецкий М.И., Крутиков В.Н., Косицын Л.Г., Комаров Е.В., Кузнецов Б.И.
Становление и развитие одного из основных научных направлений института, связанного с разработкой сильноточных ускорителей и исследованиями по генерации мощных импульсных электронных и ионных пучков, СВЧ и тормозного излучений имеет почти 40-летнюю историю.
Быстрому прогрессу в развитии сильноточной электроники послужили работы в области высоковольтной импульсной техники. Эти работы начались в 1957 году и проводились сначала в ТПИ применительно к исследованию физики пробоя вакуумных и газовых промежутков, твердых и жидких диэлектриков. Была создана научная школа под руководством А.А.Воробьева. В НИИ ядерной физики эти работы проводились под руководством Г.А.Воробьева и Г.А.Месяца.
Учитывая острую потребность в генераторах наносекундных импульсов различных областей науки и техники, в НИИ ядерной физики были развернуты широкие исследования по созданию таких генераторов. Под руководством Н.С.Руденко велись работы по созданию наносекундных генераторов, предназначенных для питания искровых камер. Был сделан ряд интересных работ, в частности, исследован стриммерный механизм пробоя газовых промежутков; впервые было предложено использовать очищенную воду как энергоемкий диэлектрик в фомирующих линиях мощных наносекундных генераторов. Была создана стри мерная камера для синхротрона ОИЯИ (г.Дубна). Впервые в СССР были сделаны шаги в направлении получения сильноточных электронных пучков. Определяющий вклад в развитие этих работ внесли В.И.Сметанин, В.И.Цветков.
В 1971 году по инициативе А.Н.Диденко начались работы по созданию первого сильноточного наносекундного ускорителя на энергию более 1 МэВ. Эти работы возглавил Ю.П.Усов. Основными исполнителями по созданию ускорителя, который был назван «Тонусом», были Н.С.Руденко, В.И.Сметанин, В.И.Цветков, Г.И.Котляревский, Б.В.Окулов и молодые специалисты, выпускники ТПИ, Г.Е.Ремнев, В.А.Тузов, А.Г.Жерлицын, И.З.Глейзер, А.А.Шатанов, B.C.Пак, Л.НДронова. В 1972 году был запущен ускоритель, который в то время был одним из самых больших в СССР.
Запуск сильноточного ускортителя «Тонус» (Томский наносекундный ускоритель) послужил точкой опоры в новом этапе быстрого развития сильноточной тематики в институте. Под научным руководством А.И.Диденко широким фронтом развернулись работы по созданию новых ускорителей и исследования по формированию и транспортировке мощных электронных и ионных пучков, исследованию их взаимодействия с границей раздела двух сред, модифицирующие) влияния на свойства различных материалов, исследования по генерации СВЧ и тормозного излучения.
На первом этапе были проведены исследования по транспортировке сильноточных релятивистских электронных пучков (СРЭП) в газе и вакууме. Впервые наблюдались эффекты, связанные с прохождением СРЭП вблизи магнитоэлектрических и диэлектрических поверхностей с распространением пучка в больших объемах и при повышенном давлении остаточного газа. За счет отражения от проводящей поверхности впервые был осуществлен захват СРЭП на замкнутую орбиту. В этих работах активное участие принимали Ю.П.Усов, Г.И.Котляревский, В.А.Тузов, А.И.Рябчиков, А.В.Петров.
Одновременно с работами по электронным пучкам, были начаты исследования по генерации сильноточных ионных пучков сначала наносекундной, а затем и микросекундной длительности. На первом этапе значительные результаты были достигнуты по коллективному ускорению ионов в прямых пучках. В дальнейшем под руководством А.Н.Дидепко, Ю.П.Усова и В.М.Быстрицкого были развернуты работы по прямому ускорению ионов. В результате проведения исследований были предложены и реализованы принципиально новые методы и системы для эффективного формирования мощных пучков ионов как наносекундной, так и микросекундной длительности. В частности, Ю.П.Усовым был предложен двухимпульсный режим работы ускорителя для получения мощных ионных пучков (МИП) из взрыво-эмиссионной плазмы. Именно этот подход стал основой при развитии, в дальнейшем, научного направления, связанного с модификацией структуры и свойств различных материалов МИП.
В развитие ионной программы на этом этапе внесли свой вклад: Г.Е.Ремнев, В.И.Подкатов, Я.Е.Красик, В.С.Лопатин, В.М.Матвиенко, А.М.Толопа, А.В.Петроп, В.Г.Толмачева, В.Н.Шустова, А.И. Рябчиков.
В начале 80-х годов в институте развернулись исследования по воздействию МИП на материалы. Основой для их проведения стали положительные результаты испытаний, полученные по упрочнению твердосплавного инструмента, а также работы по изучению воздействия импульсных пучков на металлы (Яловец А.И., Чистяков С.А.).
Эти исследования проводились на ускорителе «Тонус», а затем и других установках, созданных специально для реализации задач в области материаловедения.
В основе применения МИП лежит явление быстрого нагрева поверхностного слоя (~ 1011 К/с) и быстрое остывание после окончания действия импульса (~ 109 - 1011 К/с). Такое действие пучка приводит к фазовым и структурным изменениям поверхностного слоя.
Значительный вклад в эти исследования внесли Г.Е.Ремнев, СА.Печенкин, В.М.Матвиенко, И.Ф.Исаков, М.С.Опекунов и др.
Успешные исследования по этой сложной проблеме, являющейся несвойственной для НИИ ЯФ, было бы невозможным без тесного сотрудничества с Московским авиационно-технологическим институтом (Лигачев А.Е.), Московским авиационным институтом (Шулов ИЛ.), Томским инженерно-строительным институтом (Козлов Э.В., Шаркеев Ю.П.) и Сибирским физико-техническим институтом (Коротаев А.Д.).
В лаборатории, возглавляемой С.С.Сулакшиным, решались задачи возбуждения энергонапряженных газовых лазеров мощными пучками заряженных частиц. Был создан экспериментальный ускорительно-диагностический комплекс. Достигнуты рекордные параметры накачки активной среды газового лазера ионными пучками (до 108 - 109 Вт/смЗ.атм). Впервые получена коротковолновая лазерная генерация в ряде перспективных активных сред при возбуждении их мощным протонным пучком. Работы по генерации мощных ионных пучков нано- и микросекундной длительности и развитие исследований по модификации материалов пучками заряженных частиц способствовали развитию научного направления, связанного с созданием оборудования и методов для обработки материалов импульсно-периодическими сильноточными пучками ионов и плазменными потоками. Были впервые предложены методы получения управляемых по составу пучков ионов для многоэлементной имплантации, получения высоких концентраций имплантированной примеси. Разработаны несколько модификаций источников ионов и плазмы на основе импульсной и непрерывной вакуумной дуги, обеспечивающие широкие функциональные возможности установок по модификации поверхностных свойств материалов. Предложен и разработан прямоточный плазменный фильтр, обеспечивающий очистку плазмы вакуумной дуги от микрокапельной фракции продуктов взрывной эмиссии катода.
Существенный вклад в развитие направления внесли А.И.Рябчиков, С.В.Дектярев, И.Б.Степанов, Н.МАрзубов и др.
Важным вопросом в проблеме радиационно-стимулированных превращений твердого тела является природа механизмов преобразования энергии пучка ускорителя в кинетическую энергию распыленных с поверхности атомов, энергию структурно-фазовых превращений, термомеханических напряжений и т.д.
В лаборатории, руководимой В.П.Кривобоковым, был выполнен цикл исследований диссипации энергии пучков и вызванной облучением ускоренной миграции атомов в конденсированной фазе. Была построена компьютерная модель этих процессов, которая успешно применялась не только в задачах модификации поверхности твердых тел, но и при прогнозировании последствий воздействий мощных импульсных потоков ионизирующих излучений на материалы и изделия электроной и космической техники. Большой вклад в эти исследования внесли АсаиновО.Х., Блейхер Г.А., Пащенко O.K., Янин С.Н., Степанов Б.П., Костенко В.В., Хасан ОЛ. В этой же лаборатории показано, что очень эффективным средством обработки поверхности твердых тел может быть плазма аномального тлеющего разряда в диоде со скрещенными электрическим и магнитным полями. Изучены особенности подобных систем и разработаны методики их проектирования. Была создана серия установок для модификации оптических свойств листового стекла, которые затем были внедрены на многих промышленных предприятиях России и стран СНГ. В этих работах принимали участие Ананьин П.С., Асаинов О.Х., Зубарев СМ., Косицын Л.Г., Кузьмин О.С., Легостаев В.Н., Янин С.Н. Одной из первых проблем, которую решали на ускорителе «Тонус», была создание мощных СВЧ-генераторов с помощью сильноточных релятивистских пучков. В 1974 году под руководством А.Н.Диденко была создана группа сотрудников для развития этих работ. В нее вошли Г.П.Фоменко, Ю.Г.Юшков, Ю.Г.Штейн, В.И.Зеленцов, А.Г.Жерлицын и другие. Решение задачи генерации мощных СВЧ-колебаний потребовало подробных исследований по формированию и их транспортировки к мишени СРЭП, создания комплекса измерительной аппаратуры, теоретических расчетов по определению условий эффективного преобразования СРЭП в энергию СВЧ колебаний. Были проведены исследования по генерации мощного СВЧ-излучения в релятивистских магнетронах, генераторах и усилителях пролетного типа, генераторах дифракционного излучения и предложенных в институте принципиально новых мощных генераторах с виртуальным катодом -виркаторах. На этих генераторах получены рекордные мощности - 1 ГВт в 10-см диапазоне при длительности порядка 10-7 - 10-8 с, которые остаются одними из лучших и до настоящего времени.
В конце 70-х годов под руководством Э. Г.Фурмана началась разработка линейных индукционных ускорителей (ЛИУ). Разработана простая и надежная схема ЛИУ, включающая в едином корпусе все важнейшие узлы ускорителя и позволяющая обеспечивать темп ускорения 1 МэВ на метр длины ускорителя при токах до 10 кА и длительности от единиц не до 200 не. При этом использована новая элементная база, не имеющая аналогов и включающая: низкоимпедансные полосковые линии, в которых практически исключено отрицательное влияние краевого эффекта на краях тонких обкладок полосковых ДВЛ, многоканальные искровые разрядники с гарантированной зоной управления по напряжению и принудительным делением тока между каналами, позволяющие коммутировать токи в сотни аК в едином блоке при частотах в 200 ГЦ, системы синхронизации отдельных блоков разрядников, системы инжекции на основе диэлектрических эмиттеров с плотностью тока 100 А/см2 при длительностях до 100 не.
Создано несколько типов ЛИУ. При разработке и сооружении сильноточных ускорителей были предложены и реализованы принципиально новые схемы формирования импульсов, разрядники, диоды и другие узлы и компоненты. Они защищены большим количеством авторских свидетельств, отражены во многочисленных статьях (отечественных и зарубежных), обзорах, докладов на Международных и Всесоюзных научных конференциях и в монографиях.
В конце 60-х годов под руководством Диденко А.Н. были начаты работы по сверхпроводящим ускоряющим структурам и накопителям. В работах участвовали Григорьев В.П., Фоменко Г.П., Кононов В.К., Самойленко Г.М., Каминский ВЛ., Августинович В.А., Шиян В.П., Штейн Ю.Г., Юшков Ю.Г., Каминская Р.Г., Новиков С.А. Первые результаты были опубликованы в книге Диденко А.Н. «Сверхпроводящие волноводы и резонаторы» М.: Сов.радио. 1973. В 1970 году под руководством Каминского ВЛ. была образована лаборатория криогенной техники, в которой были развернуты исследования по высокочастотной сверхпроводимости и разработка технологии сверхпроводящих ниобиевых резонаторов. Были созданы сверхпроводящие резонаторы с добротностью 1010 и напряженностью электрических высокочастотных полей 300 кВ/см. Большой вклад в эти исследования внесли сотрудники Диденко А.Н., Каминский ВЛ., Самойленко Г.М., Шиян В.П., Августинович В.А., Севрюкова Л.М., Артеменко С.Н., Юшков Ю.Г
В 1972 году были впервые начаты исследования по накоплению высокочастотной энергии в резонаторах, в т.ч. сверхпроводящих, и быстрому выводу ее в виде СВЧ-импульсов. Временная компрессия СВЧ-импульсов в сверхпроводящем резонаторе позволила получить усиление мощности в 104 раза. В различных волноводных резонансных линиях были сформированы наносекундные СВЧ-импульсы мощностью в несколько сот мегаватт.
В настоящее время системы компрессии СВЧ-импульсов используются в различных организациях России и за рубежом (Франция). Разработка и создание различных систем компрессии была выполнена Юшковым Ю.Г., Августиновичем В.А., Артеменко С.Н., Новиковым С.А., Разиным СВ., Каминским В.Л.
Институт прошел 40-летний путь. Эти годы были годами высоких темпов роста института в части развития материально-технической базы, научных исследований, обеспечения органического единства научного и учебно-воспитательного процессов, подготовки высококвалифицированных кадров. Институт стал одним из ведущих научно-исследовательских институтов ядерно-физического профиля в системе высшего образования. Ускорители и исследовательский реактор являются прекрасной базой для выполнения не только научных исследований, но и для подготовки научных и инженерных кадров. Ежегодно, с первых дней существования, в институте проходят производственные и преддипломные практики, выполняют дипломные и лабораторные работы студенты ТПУ и других вузов города.
За этот период сотрудниками института получен ряд фундаментальных рузульта-тов, получивших признание научной общественности как в нашей стране, так и за рубежом. Эти результаты отражены в 30 монографиях. 10 сборниках научных трудов института, в большом количестве публикаций. Сотрудниками института защищены 38 докторских и около 380 кандидатских диссертаций. Институт организовал и провел 30 Международных и Всесоюзных научных конференций, школ, симпозиумов.
Работы НИИ ЯФ получили общественное признание в виде Премии Совета Министров СССР и премий Ленинского комсомола.
Более 20 сотрудников института, начавших в нем свой научный путь, выросли в крупных ученых и руководителей научных учреждений, вузов, кафедр. Семь сотрудников института, в разное время работавших в НИИ ЯФ, стали членами Российской Академии наук (Болдырев В.В., Ковальчук Б.М., Месяц Г.А., Бугаев СП., Диденко А.Н., Димов Г.П., Захаров Ю.А.). Такому количеству членов РАН может позавидовать любой академический институт с такой сравнительно короткой историей.
В разное время с работами института знакомились президенты АН СССР академики М.В.Келдыш, А.П.Александров, Г.И.Марчук, академики Беляев СТ., Верное СИ., Девятков Н.Д., Кириллин В.А., Коптюг В.А., Лаврентьев М.А., Скринский АН., Флеров Г.М., Черенков П.А и другие и дали положительную оценку деятельности института.
В последние годы институт, как и вся наша наука, испытывает финансовые трудности, но все же продолжает развивать традиции, заложенные старшим поколением. Все электрофизические установки сохранены и действуют, и на них продолжаются научные исследования.
Институт отличается от других научных организаций фундаментальностью научных исследований Достаточно сказать, что в 1996 и 1997 г.г. институт выполнял 13 грантов РФФИ. Кроме того, НИИ ЯФ имеет сегодня 9 грантов МинОПО России, выполняет 27 проектов по программам. МинОПО, 8 проектов по программам Министерства науки и технологиям.
Интенсивно развиваются международные связи: институт имеет контракты с фирмами и научными учреждениями США, Франции, Израиля, Дании, Чехии. Развиваются двухсторонние отношения по проведению совместных научных исследований с институтами Японии, Германии, США и др.
Сотрудники института успешно участвуют в работе различных конференций, симпозиумов, совещаний.
Хочется надеяться, что в наше непростое время институт сможет сохраниться как крупное научное учреждение и приумножит достижения своих предшественников.