Студенты Новосибирска освоят дорогое оборудование на виртуальных тренажерах

Новосибирский государственный технический университет НЭТИ представляет на международном форуме «Технопром» виртуальную экскурсию по станции №1-5 «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне» Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»). Эта станция использует сверхжесткое рентгеновское излучение, способное просвечивать металлы и даже живых лабораторных животных, чтобы получать их детальные изображения. Благодаря виртуальной модели любой человек, включая школьников, может увидеть сложное научное оборудование, не приезжая на сам объект в наукоград Кольцово. Проект помогает готовить будущих специалистов и знакомить молодежь с современными методами исследований в области материаловедения и биологии. Университет реализует эту разработку совместно со специалистами ЦКП «СКИФ» в рамках программы «Приоритет-2030» и Межвузовского консорциума.

Как сообщает корреспондент Информационного агентства МАНГАЗЕЯ, экскурсия доступна в двух вариантах: на обычном компьютере и в очках виртуальной реальности. Первый вариант подходит для широкой аудитории, второй ориентирован прежде всего на старшеклассников и студентов колледжей. Разработчики планируют в дальнейшем создать виртуальные модели всех станций этого научного центра. Также в планах - обучающие лабораторные работы и тренажеры для профессиональных пользователей.

Что такое станция 1-5 и зачем она нужна

ЦКП «СКИФ» - это строящийся в наукограде Кольцово Новосибирской области источник синхротронного излучения поколения 4+. По сути, это гигантский ускоритель электронов, который разгоняет частицы до энергии 3 гигаэлектронвольт. Когда электроны движутся по кольцу с огромной скоростью, они испускают рентгеновские лучи исключительной яркости и когерентности. Параметр эмиттанс пучка составляет 75 пикометров-радиан, что определяет очень малый размер и высокую упорядоченность пучка. Такое излучение позволяет ученым рассматривать структуру материалов на уровне отдельных атомов и молекул.

Станция 1-5 использует рентген с энергией фотонов от 30 до 150 килоэлектронвольт, который относят к жесткому диапазону. Такое излучение способно проникать сквозь плотные материалы толщиной до нескольких сантиметров, включая металлические детали и биологические ткани. Благодаря этому ученые могут неразрушающим способом изучать внутреннюю структуру сплавов, пластиков, керамик и целых узлов машин. Кроме того, станция приспособлена для исследований живых лабораторных животных - мышей, крыс и минипигов - для которых предусмотрен специальный мини-виварий.

Разработкой станции, включая изготовление, монтаж и наладку оборудования, занимается Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН. Основное назначение станции - проведение исследований в области материаловедения и наук о жизни. Например, производители автомобилей или авиационной техники смогут проверять качество сварных швов и литых деталей без их разрушения. Биологи и медики получат инструмент для наблюдения за внутренними органами животных в реальном времени. Это позволит сократить количество дорогостоящих и сложных экспериментов, связанных с хирургическим вмешательством. Таким образом, станция решает задачи, аналогичные тем, что выполняют зарубежные синхротронные центры.

Мини-виварий на станции представляет собой специально оборудованное помещение для содержания лабораторных животных. Мыши, крысы и минипиги используются в доклинических исследованиях, когда нужно проверить действие новых лекарств или изучить развитие заболеваний. Благодаря жесткому рентгену ученые могут наблюдать за состоянием внутренних органов животного без хирургических операций. Это снижает стресс для подопытных и повышает точность получаемых данных. Подобные исследования важны для фармакологии, токсикологии и фундаментальной биологии.

Как устроена виртуальная экскурсия

Виртуальная экскурсия по станции №1-5 реализована в двух версиях: десктопная для компьютера и версия для шлема виртуальной реальности. Второй вариант дает эффект полного погружения: человек может осматривать оборудование, поворачивая голову, как будто находится внутри станции. Экскурсию проводят директор КТИ НП СО РАН Петр Завьялов и научный сотрудник ЦКП «СКИФ» Александр Легкодымов. Они рассказывают о технических решениях и научных задачах, поэтому посетители получают информацию от непосредственных разработчиков.

Один из разработчиков проекта, доцент кафедры автоматизированных электроэнергетических систем НГТУ НЭТИ кандидат технических наук Денис Армеев, поясняет, что версия со шлемом создана в первую очередь для старшеклассников и студентов средних специальных учебных заведений. По его словам, в 2027 году команда хочет сделать виртуальную версию для студентов с элементами обучения. Это позволит учащимся взаимодействовать с оборудованием в виртуальной среде, не рискуя повредить дорогостоящие приборы. Также в планах - создание виртуальных лабораторных работ. Еще одна версия проекта будет работать как тренажер для подготовленных профессиональных пользователей. Специалисты, которые планируют проводить эксперименты на станции, смогут заранее освоить управление ее системами.

Виртуальную модель станции создают сотрудники кафедры оптических информационных технологий НГТУ НЭТИ. Заведующая этой кафедрой кандидат технических наук Марина Завьялова рассказала, что ученые вуза вместе со службами ЦКП «СКИФ» готовят программы экскурсий по виртуальной станции. Они также разрабатывают лабораторные работы на реальном оборудовании. В этих работах планируется использовать рентгеновские микроскопы и энергодисперсионные детекторы. Таким образом, студенты смогут познакомиться с методами анализа состава и структуры материалов.

Для школьников виртуальная экскурсия становится первым знакомством с установками класса «мегасайенс». Обычно доступ на такие объекты ограничен из-за требований безопасности и сложности оборудования. Виртуальная реальность позволяет обойти эти ограничения и показать внутреннее устройство станции в наглядной форме. Подростки могут рассмотреть элементы конструкции и понять, как работают научные приборы. Это помогает им осознанно выбрать будущую профессию в области физики или инженерии.

Обучение и планы на будущее

Команда проекта не ограничивается одной станцией: в дальнейшем планируется создать виртуальную реальность всех станций объекта класса «мегасайенс» в Кольцово. Это означает, что пользователи смогут посетить любую экспериментальную станцию синхротрона, не выходя из дома. Для студентов будут разработаны специальные виртуальные лабораторные работы. Они позволят отрабатывать навыки работы с уникальным оборудованием в безопасной среде. Такой подход снижает порог входа для молодых специалистов, которым раньше приходилось ждать физического доступа к установке.

Проект реализуется в рамках Межвузовского консорциума по взаимодействию с ЦКП «СКИФ». Этот консорциум был создан по инициативе НГТУ НЭТИ для координации усилий университетов в подготовке кадров и проведении совместных исследований. Участники консорциума разрабатывают образовательные программы и VR-тренажеры. Благодаря этому студенты осваивают работу на установках класса «мегасайенс» еще до их запуска.

Работа ведется при поддержке программы «Приоритет-2030», в рамках которой университет получил финансирование на развитие образовательных и научных проектов. Виртуальные технологии позволяют решить проблему ограниченного доступа к дорогостоящей инфраструктуре. Школьники, которые попробуют VR-экскурсию, могут заинтересоваться физикой, материаловедением и инженерными специальностями. Студенты получают возможность практиковаться на виртуальных аналогах реальных приборов. Это сокращает время адаптации молодых специалистов на рабочих местах. Кроме того, тренажеры для профессионалов помогут исследователям готовиться к экспериментам более тщательно.

Отдельное внимание уделяется созданию VR-тренажеров для будущих пользователей станции. Такие тренажеры позволят отработать последовательность действий при настройке оборудования и проведении измерений. Ошибки в виртуальной среде не приведут к поломке дорогостоящих компонентов. Пользователи смогут заранее изучить расположение элементов станции и порядок работы с ними. Это особенно важно для исследователей из других городов, которым предстоит приехать на синхротрон.

Вклад университета в создание научных приборов

В рамках программы «Приоритет-2030» НГТУ НЭТИ выступил разработчиком уникальных научных приборов для станций первой очереди ЦКП «СКИФ». К ним относятся станции 1-1 «Микрофокус», 1-2 «Структурная диагностика» и 1-4 «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм». Университет проектировал, изготавливал, монтировал и налаживал такие устройства, как двухкристальный монохроматор, блоки охлаждаемых и неохлаждаемых щелей, затвор монохроматизированного пучка. Эти компоненты отвечают за точное формирование и управление рентгеновским пучком.

Важнейшим направлением деятельности университета является разработка экспериментальной станции второй очереди ЦКП «СКИФ» под названием «Инженерное материаловедение». Она предназначена для исследования технологий, которые используются в промышленности при производстве и обработке различных конструкционных материалов. Это металлы, керамики, композиты, порошковые смеси и сложные химические соединения. Например, производители смогут изучать, как влияет термическая обработка на прочность деталей. Или как изменяется структура сплава при добавлении новых компонентов. Такие данные помогают улучшать качество продукции и снижать процент брака.

Созданные университетом приборы и виртуальные модели соответствуют мировому уровню синхротронных исследований. Они позволяют решать задачи, аналогичные тем, что выполняются на зарубежных платформах. Для российской науки это означает независимость от иностранного оборудования и возможности проводить эксперименты внутри страны. Промышленные предприятия получают доступ к методам анализа, которые раньше были доступны только за границей. В результате новые разработки в материаловедении и биологии могут быстрее внедряться в производство.

Опыт, полученный при создании приборов для станций первой очереди, напрямую используется при проектировании новых установок. Инженеры и ученые НГТУ НЭТИ накопили компетенции в области точной механики, вакуумных систем и управления пучками излучения. Эти знания востребованы не только в научной сфере, но и в высокотехнологичной промышленности. Университет готовит специалистов, способных работать на самом современном исследовательском оборудовании.