Как студенты НГТУ приборы для «СКИФа» создавали.
Один лишь список оборудования, изготовленного Новосибирским государственным техническим университетом (НГТУ НЭТИ) для Сибирского кольцевого источника фотонов, внушал почтение. Блоки неохлаждаемых и охлаждаемых щелей, ловушка-коллиматор и приемник-коллиматор, бериллиевые окна, ионизационная камера, затворы монохроматического пучка, аттенюатор белого пучка и, наконец, двухкристальный монохроматор. Отдельного упоминания заслуживали точность и быстродействие изготовленных приборов. Так, затвор должен перекрывать пучок синхротронного излучения за десятую долю секунды, а гониометр в структуре монохроматора измеряет угол с точностью в 11 тысячных градуса.
– «СКИФ» станет первым в мире источником синхротронного излучения поколения 4+ с энергией 3 ГэВ. Он строится на территории наукограда Кольцово под Новосибирском. На днях состоялся пуск линейного ускорителя - это стартовая ступень синхротрона, и сегодня мы видим продолжение большой работы, сборку уникального оборудования, которым будут наполнены 6 станций первой очереди. Его изготовление требует кооперации многих организаций. НГТУ стал одним из основных исполнителей.
Технический университет не просто готовит инженерные кадры, но и занимается разработками для высокотехнологичной промышленности, приборостроения, а также берет на себя задачу обучения высококвалифицированных специалистов, которые будут обслуживать это оборудование. Напомню, что НГТУ выступил инициатором создания межвузовского консорциума, в который вошли 23 участника, включая ведущие российские университеты. Эти вузы также будут готовить кадры для Центра коллективного пользования «СКИФ», - подчеркнула на предновогодней презентации оборудования в Техноцентре НГТУ заместитель губернатора Новосибирской области Ирина Мануйлова.
В рамках программы «Приоритет-2030» НГТУ НЭТИ спроектированы и изготовлены уникальные научные приборы для трех станций первой очереди ЦКП «СКИФ». Интеграторами станций и заказчиками работ являются Томский политехнический университет (станция 1-1 «Микрофокус») и Институт сильноточной электроники (станция 1-2 «Структурная диагностика», станция 1-4 «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм»).
Для разработки оборудования в Новосибирском государственном техническом университете было создано конструкторское бюро, в состав которого вошли специалисты из разных областей, а главное - студенты различных направлений подготовки. Научно-производственными площадками проекта по разработке и изготовлению высокотехнологичного оборудования для «СКИФа» стали Центр прототипирования и Центр студенческой проектной деятельности НГТУ НЭТИ.
Бюро для синхротрона
– Работы по проектированию и изготовлению высокотехнологичного оборудования для ЦКП «СКИФ» - амбициозная и ценная с точки зрения формирования компетенций задача для нашего университета. Для нас важно быть в числе первых разработчиков сложных и, отметим особо, отечественных научных приборов. Нам удалось эффективно выстроить полный цикл работ - от проектирования до изготовления. Во многом это получилось благодаря вовлечению в реализацию проекта научной молодежи, - подчеркнул ректор НГТУ НЭТИ Анатолий Батаев.
– Вуз сумел создать боеспособную команду, обладающую необходимыми профессиональными навыками, и организовать работу на всех уровнях. Благодаря взаимодействию НГТУ НЭТИ как с заказчиками, так и с подрядчиками планы реализованы в срок и в точном соответствии с техническими заданиями, - добавил заместитель директора ЦКП «СКИФ» по научной работе Ян Зубавичус.
– Разработка научных приборов для станций первой очереди ЦКП «СКИФ» включает проектирование, изготовление, монтаж и пусконаладку таких изделий, как двухкристальный монохроматор, блоки охлаждаемых и неохлаждаемых щелей, затворы монохроматизированного пучка и др. В конструировании и изготовлении приборов участвовали специалисты из разных областей - машиностроения, физики, оптики, микроэлектроники и информационных технологий, - рассказал первый проректор НГТУ НЭТИ Василий Янпольский.
- Эффективным форматом работы нашего КБ стал еженедельный открытый научный семинар с участием представителей ЦКП «СКИФ», Томского политехнического университета. Очно в нем на постоянной основе участвуют студенты конструкторского направления, ставшие со временем сотрудниками КБ. Именно этот формат работы и обучения позволил им на практике пройти весь путь от детального разбора технического задания на проектирование до собственно изготовления изделий.
Неудивительно, что презентовали журналистам изготовленное оборудование вчерашние студенты, пришедшие в конструкторское бюро 2,5 года назад еще бакалаврами и магистрантами: инженер Центра технологического превосходства НГТУ НЭТИ Илья Анисимов и младший научный сотрудник этого же центра Иван Юлусов.
Илья увлеченно демонстрировал работу затвора монохроматического пучка. Прибор предназначен для очень быстрого перекрывания пучка синхротронного излучения (время открытия/закрытия не более 10 миллисекунд). Скорость срабатывания затвора определяет время, в течение которого синхротронное излучение будет воздействовать на исследуемый образец и детектор. При перекрытии пучка устройство должно уменьшить интенсивность излучения на пять порядков. Работать затвор будет в условиях глубокого вакуума, то есть желательно, чтобы в нем не было каких-то трущихся частей, подшипников, смазки и т. п. Кроме того, элемент должен быть очень надежным, рассчитанным на миллионы циклов.
Подобные приборы будут установлены на всех трех вышеупомянутых станциях - 1-1, 1-2 и 1-4, немногим отличаются лишь механизмы их действия. Например, в разработке экспозиционного затвора пучка для станции 1-2 «Структурная диагностика» приняли участие сотрудники и студенты кафедры оптических информационных технологий (ОИТ) физико-технического факультета НГТУ НЭТИ.
Иван Юлусов продемонстрировал блок неохлаждаемых щелей для станции 1-1 «Микрофокус»: устройство включает четыре «ножа», установленных с возможностью перемещения и позволяющих придавать необходимые форму и размер пучку синхротронного излучения. Точность перемещения данных элементов - 1 микрон.
На гранитном пьедестале
Но главной звездой презентации стал двухкристальный монохроматор: задрапированная черным комната, где его демонстрировали, и впрямь напоминала съемочную площадку.
– Подчеркну, что производить монохроматоры для синхротронов четвертого поколения в России умеют только две организации и обе находятся в Новосибирске: это наш университет и Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, изготовивший аналогичный, но отличающийся по функционалу прибор для станции 1-5 «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне».
Монохроматор - самое сложное устройство, продемонстрированное в ходе презентации оборудования в НГТУ НЭТИ. Он будет использоваться на станции 1-1 «Микрофокус», предназначенной для изучения сверхмалых объектов методами рентгеновской микроскопии и микротомографии, совмещенными с высокоразрешающим сканирующим рентгенофлуоресцентным анализом и структурными исследованиями кристаллов под высокими давлениями.
Подробно о приборе рассказал главный конструктор проекта Александр Чиннов (на снимке).
– Когда пучок синхротронного излучения попадает из кольца накопителя на станцию, его обрабатывают - с целью получения необходимых для эксперимента параметров. Без исключения все спроектированные нами устройства для этой обработки и предназначены. Двухкристальный монохроматор позволяет выделять необходимые для исследований энергии, - пояснил Александр Владимирович.
- В приборе используется пара кристаллов: на первый пучок падает, отражается на второй и выходит из устройства параллельно входному пучку. Этот процесс необходимо организовать в глубоком вакууме, т. к. поверхности кристаллов нагреваются и могут «пригореть» при наличии молекул воздуха. Кристаллы в процессе работы охлаждают, для этого применяется водяное охлаждение. Для нормальной работы устройства создана антивибрационная защита, включающая мощное гранитное основание, металлическую раму и сильфонные развязки.
Для настройки системы задействованы высокоточные приводные механизмы, размещенные в вакуумной камере. Система управления монохроматором связана с СУ станции, что позволяет при проведении исследований управлять оборудованием из экспериментальной кабины. Кремниевые кристаллы для прибора были выращены методом Чохральского в Нижнем Новгороде, а трехтонный гранитный куб для нивелирования вибрационных нагрузок, на котором установлен монохроматор, привезен из Карелии.
Чтобы подчеркнуть точность работы измерительных приборов в монохроматоре, в частности, уже упомянутого гониометра, Александр Чиннов привел любопытный пример: если поделить окружность земного шара по экватору (40 тысяч километров) на минимальные углы, которые отрабатывает гониометр, получится 8 388 608 шагов, причем 1 шаг будет равняться 4,7 метра.
Объединяя компетенции
– Это был первый за долгое время опыт проектирования и изготовления настолько сложных приборов не только для нашего университета, но и для других российских организаций-партнеров, - констатировал В.Янпольский. - Соответственно, к работам нашего конструкторского отдела подключались и Балтийский федеральный университет, и Томский политехнический университет, и Нижегородский технический университет, и, конечно же, Институт ядерной физики СО РАН.
Мы вместе решали конструкторские и технические задачи, чтобы все приборы для установки мегасайенс работали как часы. В РФ за последнее время не было полноценной специализации в научном приборостроении, и наш университет выбрал для себя такое направление - проектирование, изготовление, реализация научных приборов для высокотехнологичных отраслей. Подчеркну, ни у одной команды не было полного набора компетенций в вопросах создания уникального оборудования для «СКИФа», поэтому все задачи мы решали совместно с коллегами из смежных отраслей и областей.
– На старте проекта главная проблема для нас заключалась в отсутствии компетенций, практического опыта в научном приборостроении, в создании синхротронной техники, - добавил
Александр Чиннов. - Вот мы и нарабатывали эти знания и опыт в течение более чем двух лет. Здесь стоят агрегаты, но за ними - люди, которые преодолели все трудности. Сейчас, когда у них есть некоторый опыт, работать, ориентируясь на новые условия, новый заказ, гораздо легче. Участие в этой деятельности молодежи вселяет оптимизм и открывает хорошие перспективы для развития данного направления.
– Мы вступали в этот проект, откровенно говоря, с опаской, понимая всю ответственность перед страной, - рассказал ректор НГТУ НЭТИ. - А сегодня, заходя в конструкторское бюро, я даже не понимаю, кто за компьютером, нынешний студент или вчерашний. Теперь наша задача не утерять эти компетенции в перерыве между строительством станций первой и второй очередей «СКИФа», потому что наш университет надеется стать интегратором станции 2-1 «Инженерное материаловедение».
Добавим, что на заседании межвузовского консорциума решено проработать вопрос создания межвузовского студенческого конструкторского бюро, которое объединит компетенции вузов - участников консорциума по тематике «СКИФа».
– Не все научные коллективы, планирующие проведение научных исследований на станциях «СКИФа», имеют возможность привлечь для проектирования такие междисциплинарные команды. В связи с этим межвузовское студенческое конструкторское бюро может стать тем самым объединением, которое будет оказывать существенную помощь научным коллективам в проектировании нестандартного оборудования для проведения экспериментов по разным тематикам на станциях «СКИФа», - резюмировал первый проректор НГТУ.
– Это отличная идея, она доказала свою эффективность на примере работы КБ НГТУ, - поддержал Ян Зубавичус. - Межвузовское студенческое конструкторское бюро может дать кумулятивный интегральный эффект: необходимое сочетание конструкторских и технических компетенций разных вузов, развитие коммуникационных и организационных навыков взаимодействия. Многие университеты активно вовлекали студентов в процесс изготовления оборудования для ЦКП «СКИФ». Этот опыт нужно объединять, находить лучшие практики и их тиражировать. Это важное и полезное дело в масштабах всей страны.
Сроки запуска ЦКП «СКИФ» сдвинуты на конец 2025 года. Однако стоит отметить, что практически все оборудование для станций новосибирские и томские интеграторы уже изготовили. Теперь дело за строителями: в марте-апреле, как только будут сданы здания ЦКП, разработчики, в том числе вчерашние студенты НГТУ, приступят к монтажу и пусконаладке уникального приборного комплекса.
Ольга КОЛЕСОВА
Фото предоставлено Управлением информационной политики НГТУ НЭТИ
