Российский атомный томограф полностью готов. Подарок для Росатома и авиастроителей

Российские физики создали устройство, которое способно в буквальном смысле разобрать кусочек металла на отдельные атомы и показать, где какой находится. Этот прибор под названием «АтоТом» разработали в НИЯУ МИФИ вместе с Курчатовским институтом. Для работы инженерам нужен образец размером не больше макового зерна - всего 0,3-0,4 миллиметра в поперечнике. Атомный томограф охлаждает материал почти до температуры открытого космоса - минус 253 градуса Цельсия - и начинает аккуратно испарять с его поверхности буквально по одному-два атома лазерными вспышками. Полученную картинку обрабатывают мощные компьютеры, и на выходе специалисты видят трехмерную карту распределения атомов с точностью до нанометра. Как сообщает корреспондент Информационного агентства МАНГАЗЕЯ, разработка уже прошла стадию опытного образца и сейчас готова к работе с промышленными заказчиками.

Принципиальное отличие «АтоТома» от зарубежных аналогов - он полностью собран из отечественных компонентов и, по предварительным оценкам, будет стоить как минимум вдвое дешевле. Ранее единственным производителем подобных систем в мире была американская компания CAMECA. После введения санкций поставки в Россию и техническое обслуживание уже установленных приборов полностью прекратились. Новая разработка не только закрывает эту критическую брешь, но и предлагает заказчикам то, чего не делают иностранцы: возможность адаптировать прибор под конкретные исследовательские задачи, например, повысить чувствительность к определенным химическим элементам.

Как «АтоТом» заглядывает внутрь металла

Технология, которую использовали ученые, называется атомно-зондовой томографией. Внутри установки создается глубокий вакуум - там почти нет воздуха, чтобы посторонние молекулы не искажали картину. Образец закрепляют на специальной подставке и охлажают до температуры жидкого гелия. Затем на него направляют серию сверхкоротких лазерных импульсов. Каждый такой импульс выбивает с поверхности строго определенное количество вещества - в идеале один или два атома. Эти частицы попадают в детектор, где масс-спектрометр мгновенно определяет их химический состав.

Для создания полной трехмерной модели приходится анализировать до нескольких сотен миллионов атомов. Обычный офисный компьютер с такой задачей не справится. Поэтому ученые МИФИ применили графические процессоры - те же, что используются в современных видеокартах для игр, но заточенные под научные расчеты. Кроме того, разработчикам пришлось самостоятельно написать и запатентовать программное обеспечение: один модуль отвечает за управление прибором и подачу лазера, другой - за математическую реконструкцию расположения атомов в пространстве.

Принцип атомно-зондовой томографии не нов - за его создание еще в 1986 году Эрвин Мюллер получил Нобелевскую премию. Однако до недавнего времени довести технологию до коммерчески доступного и надежного прибора удавалось только американцам. Их установки стоили от 2,5 до 5 миллионов долларов и считались «золотым стандартом» в материаловедении для изучения границ зерен, скоплений примесей и других наноразмерных дефектов.

Зачем атомщикам и авиастроителям атомная карта сплава

Профессор кафедры физики экстремальных состояний вещества Сергей Рогожкин поясняет: инженеры давно поняли, что свойства сплава определяются не столько тем, какие металлы в него входят, сколько тем, как они расположены друг относительно друга на атомном уровне. Особенно это важно для сложных композитов, в составе которых может быть десять, пятнадцать или даже двадцать различных компонентов. Иногда микроскопическая доля примеси - буквально несколько атомов на миллион - радикально меняет прочность, пластичность или устойчивость к коррозии.

Основной заказчик таких исследований в России - госкорпорация «Росатом». В атомной энергетике детали реакторов постоянно подвергаются бомбардировке нейтронами, что постепенно разрушает кристаллическую решетку металла. Чтобы оценить остаточный ресурс корпуса реактора или тепловыделяющих сборок, нужно точно знать, как радиация перераспределила атомы и образовала ли она хрупкие кластеры. До сих пор такие анализы проводили либо на томографе CAMECA, который остался без сервиса, либо возили образцы за границу.

Не меньше нуждаются в «АтоТоме» и авиастроители. Лопатки газотурбинных двигателей изготавливают из жаропрочных никелевых сплавов, которые работают при температурах выше тысячи градусов. Чтобы лопатка не разрушилась через несколько часов, в сплав вводят строго дозированные легирующие элементы - рений, рутений, вольфрам. Даже незначительное отклонение от рецептуры или неравномерное распределение атомов в кристалле резко сокращает ресурс двигателя. Раньше предприятия «ОДК» и «Вертолеты России» отправляли пробы металла в европейские лаборатории, оплачивая каждое исследование как дорогостоящую услугу.

Помимо ядерной и авиационной отраслей, атомная томография востребована при создании сверхпроводников, высокопрочных сталей для трубопроводов и даже некоторых видов электронной керамики. Металлургические компании проявляют интерес к прибору для контроля качества собственной продукции.

Импортозамещение в условиях санкционного давления

Первый рабочий вариант «АтоТома» ученые МИФИ собрали еще в конце 2021 года. Тогда в нем использовались импортные лазеры, детекторы и вакуумная арматура. После февраля 2022 года поставки многих комплектующих стали невозможны. Разработчикам пришлось буквально с нуля воссоздавать критические узлы на собственной научно-производственной базе.

Самой сложной задачей оказалось создание быстродействующего детектора, способного регистрировать единичные атомы и определять их массу за наносекунды. Такой детектор ранее производился только в США и Японии. Группа Рогожкина разработала собственную схему на российских микроэлектронных компонентах, полностью заместив иностранные чипы и усилители. Сегодня все электронные блоки прибора - отечественные.

Не менее трудоемкой оказалась и замена программной платформы. Ученые написали оригинальное ПО, которое управляет лазером, синхронизирует детектор и строит трехмерную модель. Весь код зарегистрирован в Роспатенте, что гарантирует независимость от иностранных вендоров и возможность дорабатывать софт под любые нестандартные задачи заказчика.

В результате получилась полностью российская система. По словам Сергея Рогожкина, теперь разработчики могут использовать компоненты разных производителей, и это не создает ограничений по скорости сборки. Более того, они готовы не только продавать готовые приборы, но и адаптировать конструкцию под особые требования - например, повышать чувствительность к ультралегким элементам или расширять поле анализа. Зарубежный монополист предлагал только типовые, жестко фиксированные модели.

Сейчас в МИФИ прорабатывают вопрос о серийном производстве. Предполагается, что серийный «АтоТом» будет стоить как минимум в два раза дешевле зарубежного предшественника. Это делает его доступным не только для госкорпораций, но и для крупных промышленных холдингов и отраслевых научных институтов.

Мировой контекст и перспективы отечественной разработки

Атомно-зондовая томография остается крайне редкой и дорогой технологией даже в мировом масштабе. По оценкам экспертов, сегодня во всем мире действует не более двухсот таких приборов. Крупнейшие научные кластеры сосредоточены в США (Оук-Риджская национальная лаборатория), Германии (Институт микроструктурной физики Макса Планка) и Японии. На этом фоне появление полностью работоспособного российского томографа создает на рынке новую точку предложения.

Особый интерес к «АтоТому» могут проявить страны, которые либо находятся под вторичными санкциями и не могут купить американское оборудование, либо те, для кого цена в 3-5 миллионов долларов является запредельной. Российский прибор при сопоставимых технических характеристиках обещает быть значительно дешевле, что делает его экспортным потенциалом вполне реальным.

Важным шагом к серийному выпуску становится локализация производства комплектующих внутри страны. Томская компания «Микротех» уже выразила готовность освоить выпуск сверхвысоковакуумных камер для «АтоТома». Ранее подобные камеры закупались в Европе. Создание такой компонентной базы на территории СНГ - беспрецедентное событие для постсоветского научного приборостроения, которое долгие годы зависело от импорта.

В перспективе разработчики не исключают выхода на зарубежные рынки, но сейчас главная задача - обеспечить потребности собственной промышленности. Установка уже готова принимать индустриальных партнеров в режиме «сервис-бюро»: заказчик привозит образцы, ученые проводят анализ и передают трехмерную атомную карту. Параллельно решается вопрос о запуске серийной линейки приборов, которые смогут покупать профильные институты и заводские лаборатории.

Таким образом, разработка НИЯУ МИФИ и Курчатовского института закрывает критическую нишу в исследовательской инфраструктуре страны. Прибор уже сейчас позволяет решать задачи мирового уровня, а его конструкторская и программная независимость гарантирует стабильную работу вне зависимости от внешнеполитической конъюнктуры.