В Институте радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН (ИРЭ РАН) впервые в мире создан датчик, способный работать внутри атомного реактора. Одна только эта разработка позволит сэкономить стране до 38 млрд рублей. Об этом и других исследованиях института рассказывает директор ИРЭ РАН, член-корреспондент РАН Сергей Никитов.

Сергей Аполлонович, расскажите о специфике института и о задачах, которые он решает.

Институт радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН был создан в 1953 году. Необходимость его создания в те годы была обусловлена научно-техническими проблемами создания ракетно-ядерного щита нашей страны. Для решения этой задачи необходимо было развивать средства радиолокации, а для нее нужна была соответствующая электроника.

Именно исследования в области радиолокации, в том числе с использованием воздушных и космических средств, стали одним из главных направлений деятельности ИРЭ РАН. Причем, наше оборудование использовалось и для зондирования дальнего космоса. В нашем институте под руководством академика Владимира Александровича Котельникова, имя которого ИРЭ РАН сейчас носит, родилось такое направление, как планетная радиолокация. Эти исследования привели к уточнению масштаба Солнечной системы более чем в 100 раз, что имело исключительно важное значение для управления межпланетными перелетами. За эту работу в 1964 году академику Котельникову совместно с группой руководимых им сотрудников была присуждена Ленинская премия. Эти работы активно продолжались и далее. По многим вопросам они позволили обойти американцев в исследовании планет Солнечной системы автоматическими станциями. Выдающийся результат мирового значения был получен в 1984 году, когда с помощью аппаратов «Венера-15» и «Венера-16» была впервые получена радиолокационная карта Венеры на площади 115 млн кв. км с пространственным разрешением порядка 1 км.

Разумеется, эти исследования продолжают развиваться в институте и сейчас, в том числе и в части дистанционного зондирования Земли из космоса средствами радиолокации. Во Фрязинском филиале ИРЭ РАН находится центр обработки и хранения космической информации радиолокационного характера, где за многие годы собрана огромная база данных, полученных со спутников различного назначения. А в проекте уникальной космической обсерватории «Миллиметрон» мы работаем с коллегами из Астрофизического центра ФИАНа над созданием детектора терагерцового излучения. Но наш институт академический, он создает не только приборы, но и знания. И хотя институт и сегодня носит название радиотехники и электроники, но это уже скорее дань традиции. Наши работы имеют сейчас куда больший охват. Традиция сохраняется в том, что эти исследования по-прежнему дают практически значимый результат.

В каких областях институт создает знания сегодня?

Во многом новые направления родились из традиционных. Например, при выполнении работ в области радиолокации фактически речь идет об исследовании физики отражения и распространения электромагнитных волн. Эти работы привели к развитию важного направления – исследование распространения волн различного типа в разных средах. Это не только электромагнитные волны, но и волны разной физической природы: оптические, спиновые магнитные, акустические волны, так что от исследования распространения радиоволн в атмосфере или в космосе мы плавно перешли к исследованию волн в твердом теле.

К примеру, новейшая наша разработка – это наноплазмоника на оптоволокне. Если покрыть, скажем, золотом оптическое волокно с определенной обработкой, то на поверхности такого покрытия возникают так называемые плазмоны – поверхностные электромагнитные волны. Это позволило использовать такие гетероструктуры для создания датчиков различных физических величин с рекордными характеристиками.

А на другом «полюсе» диапазона волн, которые мы изучаем, – акустоэлектроника. Сегодня для нас это одно из приоритетных направлений, в первую очередь в области создания фильтров, резонаторов и других устройств на поверхностных акустических волнах. Одним из создателей современной акустоэлектроники является научный руководитель нашего Института академик Юрий Васильевич Гуляев. Поверхностные акустические волны могут распространяться в твердотельных структурах, которые довольно просто изготовлять. Их частоты – это десятки и сотни мегагерц или единицы гигагерц. У нас в институте впервые в мире получен результат по генерации и приему поверхностных акустических волн с частотой 6,45 ГГц.

А какой практический смысл в этом рекорде?

Чтобы очистить от помех сигнал на определенной частоте, нужны фильтры. Электрический ток преобразуется в поверхностные акустические волны, они фильтруются на нужной частоте, и далее акустический сигнал вновь преобразуется в электрический. Любой мобильный телефон содержит порядка десятка таких фильтров. Рынок устройств такого типа – это десятки миллиардов долларов.

Когда мы говорим, что у нас работают системы мобильной связи 4G, то это соответствует частоте радиоволн 2,45 ГГц. Но когда речь идет о том, что нужно переходить на более высокие частоты в системах 5G и выше, то потребуются частоты порядка десятков ГГц. Вот над этим мы и работаем. 6,45 ГГц уже достигли.

Есть ли еще какие-то сферы применения у таких технологий, кроме мобильных телефонов?

Поверхностные акустические волны очень чувствительны к свойствам среды, контактирующей с поверхностью твердого тела, по которой они распространяются. Малейшие изменения состава этой среды – газа или жидкости – вызывают изменение спектра акустических волн, то есть они могут служить датчиками состава газа или жидкости, причем такие датчики могут улавливать изменения на уровне фиксации считанного количества отдельных молекул какого-либо вещества.

Какие еще направления фундаментальных исследований ИРЭ РАН приводят к столь же интересным практическим результатам?

Одно из таких направлений – это исследование эффектов, связанных с памятью формы. Есть интересные материалы, они называются сплавами Гейслера. Они «запоминают» форму, которой обладали в сильном магнитном поле. Изделие из этого материала потом можно изогнуть любым образом, но стоит внести его в магнитное поле, как оно вновь принимает первоначальную форму. У нас созданы нанопинцеты, в которых используется это свойство: это две пластинки, которые в магнитном поле могут захватывать за счет изменения формы отдельные элементы размером в десятки нанометров. Например, несколько листов графена.

На этой установке в ИРЭ РАН исследуется эффект памяти формы. Сама установка представляет собой криостат, внутри которого сверхпроводящий магнит создает магнитное поле в 10 тесла. Для сравнения: магнитное поле Земли имеет интенсивность порядка 0,5 гаусса, а тесла – это 10 000 гауссов. Таким образом, установка создает в 20 тыс. раз более сильное магнитное поле.

Не могу не задать вам один вопрос: известно, что в ИРЭ РАН в советское время исследовали экстрасенсов, например знаменитую Джуну. Каков был результат этих исследований?

Технологии радиолокации предполагают умение принимать очень слабые сигналы, поэтому, когда в конце 1970-х годов возникла задача исследования феномена Джуны и других людей с так называемыми экстрасенсорными способностями, то в институте была создана лаборатория, а потом – Центр исследования физических полей биологических объектов. Руководителем и идейным вдохновителем этих работ стал академик Юрий Васильевич Гуляев. Поэтому более подробно об этом направлении исследований, конечно, лучше поговорить с ним. Я думаю, получится очень интересное интервью. Но если коротко, то выяснилось, что Джуна могла концентрировать тепло в ладонях. Каждый из нас это может сделать после некоторых тренировок. У нее температура в ладонях была повышена, поэтому, когда она делала пассы над человеком, она фактически проводила воздушный тепловой массаж. В этом эффекте нет ничего сверхъестественного.

Но исследовали не только Джуну. Была еще Нинель Кулагина и другие «экстрасенсы». Кулагина, например, умела притягивать и отталкивать мелкие предметы. Легонькие предметы, конечно, вроде кусочков бумаги, но она их явно двигала, и это было четко видно. Фактически оказалось, что это электростатика. Кулагина физически напрягалась, и у нее руки не просто потели, а буквально источали невидимые глазу микрокапельки пота. Они сообщали электрический заряд предмету, и он начинал двигаться, как двигается наэлектризованный кусочек бумаги от пластмассовой ручки, если ее потереть.

Какую-то пользу эти исследования принесли?

В результате этих исследований была создана карта физических полей человека. Во-первых, это инфракрасное излучение, то есть тепло. Тело человека среднего сложения излучает столько же тепла, сколько 100-ватная лампа накаливания. Причем отдельные части тела излучают по-разному. В подмышке температура выше, в ладонях – ниже, и она зависит от состояния человека.

В результате на основе наших технологий был создан термограф с чувствительностью в одну сотую градуса и разрешением 0,25 мм². Причем такие термографы используются не только для исследования температуры человеческого тела, но и вообще удаленных объектов. В частности, когда горела Останкинская башня, то пожар шел внутри, снаружи огня не было видно. Три именно таких прибора поставили в трех точках – и можно было точно определить, куда надо было лить воду, чтобы потушить пожар.

Какие еще физические поля обнаружились у человеческого тела?

Инфракрасное излучение – это длины волн, которые, как правило, определяют примерно от 0,8 мкм вплоть до субтерагерцового диапазона – до 1 мм, но, кроме того, от человека исходит слабое микроволновое излучение – это длины волн от миллиметра до примерно 30 сантиметров. Сигнал более слабый, но, тем не менее, он тоже может быть измерен. Инфракрасное излучение идет с поверхности кожи, а с помощью микроволнового излучения можно «заглянуть» вглубь живых тканей.

Есть еще акустические поля – у нас работают желудок и кишечник, сердце стучит, кровь течет – все это порождает акустические колебания. Фиксируя их, фактически можно проводить своего рода «пассивное УЗИ».

Далее – хемилюминесценция. Мы потеем, дышим, у нас есть какие-то запахи, у разных объектов по-разному происходит испарение. У каждого человека все это сугубо индивидуально, фактически как отпечатки пальцев. Эти химические элементы тоже могут быть исследованы и много рассказать о состоянии организма.

Магнитокардиография – своего рода более высокая ступень всем известной электрокардиографии. Электрокардиография измеряет электрическое поле, которое возникает при сокращении сердечной мышцы. Но у нас и кожа, и мышцы, и кровь проводят электричество. Когда движется кровь, по сути, это поток заряженных частиц. А поток заряженных частиц создает вокруг себя электромагнитное поле, которое искажает данные электрокардиографии. В случае электрокардиографии мы измеряем электрическую часть электромагнитного поля, но там есть и магнитная часть. Она очень слабенькая и усиливается лишь вблизи отдельных элементов сердца и мозга. Но если научиться измерять магнитную составляющую, то сигнал будет гораздо более правильным, потому что в обычном человеческом теле нет ничего металлического, что искажало бы магнитное поле.

Но есть проблема. Мы все находимся в магнитном поле Земли, а магнитное поле, которое исходит от сердца либо коры головного мозга, на много порядков слабее. Чтобы исключить из результатов измерений магнитное поле Земли, человека можно поместить в так называемую клетку Фарадея, но это, во-первых, не очень удобно, а, во-вторых, такие клетки не везде есть. А у нас в институте придумали измерять вторую производную величины магнитного поля. Мы пользуемся тем обстоятельством, что магнитное поле человека меняется, а магнитное поле Земли практически постоянно. Вторая производная – это не просто скорость изменения, а скорость изменения ускорения, то есть тем самым мы отбрасываем все постоянные магнитные поля. Благодаря этому мы фактически измеряем сигнал от коры головного мозга величиной 10^-14 тесла. Эта величина соответствует «перескоку» мысли при выполнении арифметической операции. Магнитокардиографы, которые используют нашу технологию, уже есть в больницах Москвы.

Еще пример – импедансная компьютерная томография, в частности, маммография. Традиционная маммография – это рентгеновский метод исследования молочных желез. Сама по себе она не очень полезна. Электроимпедансная маммография – безлучевой метод диагностики, который по информативности равен «рентгену». Это прибор, который, представляет из себя 256 металлических штырей, которые прикладываются к объекту – к женской груди, например – и измеряют электростатику. Потом проводят довольно сложную математическую обработку полученных сигналов. Этими работами руководит член-корреспондент РАН Владимир Алексеевич Черепенин.

Кроме медицины, где еще находят применения разработки ИРЭ?

В начале 1970-х годов Владимир Александрович Котельников вместе с одной из делегаций побывал в США и привез оттуда образцы оптоволокна, которого у нас тогда не было. В ИРЭ РАН организовали соответствующий отдел. Конечно, волокном начали заниматься и в ФИАНе, и в ИОФАНе, но у нас это направление развивалось по-своему. Там его исследовали с точки зрения физических процессов, а у нас – с практической направленностью. В результате нам удалось достичь в этой области целого ряда прорывных результатов мирового уровня. Это создание уникальных фотонно-кристаллических волокон, имеющих в своей структуре продольные микроскопические отверстия с толщиной стенок в десятые доли микрон. Это волокна с высокой радиационной стойкостью, применяемые в атомной промышленности, аэрокосмической навигации, в военной сфере. Значимые результаты были получены и в области создания так называемых активных волокон, использующихся в волоконных лазерах и усилителях.

Кроме того, большую роль играют специальные покрытия волоконных световодов, в том числе и на основе сплавов металлов, что позволяет использовать их при температурах до 600 °С и более. Они полностью разрабатываются в нашем институте. Это уникальная разработка. Наши коллеги лет 10 назад привезли из Англии кусок оптоволокна и сказали: «Видите, какое в Англии волокно разработано с покрытием?». А это оказалось наше волокно, которое мы в Англию и передали в рамках совместных исследований. Такое волокно применяется, например, для контроля параметров глубоких нефтяных скважин, где рабочие температуры могут достигать нескольких сотен градусов. Такие датчики необходимы и для контроля работы скважинных насосов и парогазогенераторов. Все это в условиях технологических ограничений, введенных по отношению к нефтедобывающей отрасли западными странами, существенно повышает актуальность проводимых исследований. Но применение таких волокон не ограничивается лишь нефтедобывающей отраслью. Это и электроэнергетика, и атомная промышленность, и машиностроение и многие другие отрасли.

Более того, научный задел и технологическая база позволяют нам создавать новые, уникальные устройства и приборы на основе волоконно-оптических технологий, способные работать, например, в условиях активной зоны ядерного реактора.

В одной из лабораторий ИРЭ РАН идет обработка оптоволокна лазерным излучением.

Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее.

Это совсем новая разработка – которую мы, в частности, выдвинули на соискание премии Правительства России – уникальная система на основе специально разработанного волокна способна выполнять функцию температурного датчика и датчика деформации внутри работающего ядерного реактора. Датчик представляет собой светопроводящий кварцевый стрежень, более толстый, чем обычное оптическое волокно, и имеющий не одну, а четыре сердцевины. В сердцевинах специальными оптическими методами записаны субмикронные структуры, имеющие уникальные спектральные характеристики. Именно по их спектральному отклику мы можем судить о воздействиях на датчик. Такой датчик может быть установлен в специальный технологический канал тепловыделяющей сборки – топлива для реактора – и способен проводить измерения величины деформации канала реактора с высокой точностью. А это – один из ключевых параметров канальных реакторов. Таким образом, то, что ранее было доступно лишь в теоретических расчетах и при анализе уже после остановки работы реактора, стало доступным для прямых измерений. Это, в первую очередь, дало повышение безопасности работы реакторов, а также колоссальную экономию времени и средств при проведении плановых ремонтно-диагностических работ. Эти датчики уже внедрены и эксплуатируются на всех канальных энергетических реакторах страны, а именно: на Смоленской, Курской и Ленинградской атомных станциях.

Следует отметить, что это, в принципе, первый в мире датчик деформации, способный работать в активной зоне промышленного ядерного реактора, где помимо высокой температуры присутствует колоссальный уровень радиации, не позволяющий работать в этих условиях электронным, да и многим оптическим датчикам. В ИРЭ РАН этими работами руководит заместитель директора Института д. ф.-м. н. Олег Владиславович Бутов.

На этой установке «пишутся» субмикронные структуры в сердцевине волокна с помощью фемтосекундного лазерного излучения и нанометровой точности позиционирования волокна. Установка покоится на двух массивных гранитных плитах весом 150 и 200 кг. Кроме того, установка оснащена пневмоподвеской, которая позволяет изолировать ее от внешних вибраций. Гранитное основание и виброизоляция работают так, что можно ударить по установке, а изображение на микроскопе даже не шелохнется.

Можно ли посчитать экономический эффект от внедрения этого изобретения в атомной промышленности?

Благодаря созданию такого датчика сократился срок планово-предупредительных ремонтов реакторов. Обычно он занимал две-три недели, потому что надо было останавливать (расхолаживать) реактор, выгружать топливо, смотреть, что там происходит, опять загружать топливо и потом несколько дней вновь запускать реактор. Нам удалось сократить простой на 10–14 дней, а в некоторых случаях – вообще избежать остановки реактора. А ведь один день простоя реактора типа РБМК-1000 обходится в 35 млн рублей, две недели – 490 млн руб. Таких планово-предупредительных ремонтов на ближайшие 12 лет на ректорах, где установлена наша разработка, запланировано 77, то есть до 38 млрд рублей мы сэкономим государству только внедрением этой системы. Только за счет одной этой разработки свое существование наш институт окупит на десятки лет вперед.

Беседовал Леонид Ситник, редакция сайта РАН