Свинец, гранит и тонны металла: как томские политехники разрабатывали оборудование для главного ускорителя России

На этой неделе самый долгожданный проект в российской науке — Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) — посетил президент России Владимир Путин.

Одну из крупнейших научно-исследовательских установок в современной России собирали ученые со всей страны. Среди ключевых участников проекта — Томский политех, подразделения которого проектировали и строили экспериментальные станции, создавали научное оборудование и разрабатывали программное обеспечение. Всего за несколько лет работы они разработали то, чего раньше в России практически не делали.

СКИФ — установка класса мегасайенс, которая располагается в наукограде Кольцово и представляет собой источник синхротронного излучения поколения 4+: кольцевой ускоритель, в котором частицы разгоняются до скоростей, близких к скорости света, и испускают мощнейшее рентгеновское излучение. Оно направляется на экспериментальные станции, где учёные исследуют материалы, породы, живые ткани, микросхемы — всё, что требует взгляда на вещество с точностью до нанометров.

В рамках первой очереди на СКИФе смонтировали семь станций. До 2035 года их число вырастет до тридцати.

— Для России СКИФ — уникальный опыт. Давно у нас не делали таких больших установок. Это огромный плюс для промышленности, геологов, материаловедов. Все наши ребята, которые занимаются наукой в Политехе и других вузах, получат возможность иметь под боком синхротрон 4+, — говорит ведущий инженер-конструктор Научно-образовательного центра перспективных исследований ТПУ Егор Смолянский.

Ученые Томского политеха выступили интеграторами двух станций — «Микрофокус» и «Электронная структура», а также разработали специализированные защитные конструкции для еще пяти станций. В общей сложности в проект вовлечены более 160 организаций, работу которых координировал ТПУ.

Один вкладов Политеха — разработка и изготовление радиационных защитных боксов, которые называют хатчами. Всего университет создал 12 таких конструкций и шесть контрольных кабин для них. Хатч — это сложная инженерная конструкция, внутри которой размещается оборудование, все инженерные коммуникации и могут работать учёные. Стены хатча состоят из нескольких слоёв: сталь, свинец толщиной 20 миллиметров, специальные элементы. Размеры каждого хатча индивидуальны: длина — до 18 метров, высота — до четырёх с половиной, глубина — до пяти метров. Разрабатывали и производили защитные конструкции сотрудники Юргинского технологического института (филиала) ТПУ при поддержке коллег из Томска.

— Изначально Томский политех участвовал в конкурсе эскизных проектов внутри СКИФа со своей станцией «Микрофокус», — рассказывает директор Юргинского технологического института ТПУ Сергей Солодский. — Мы разработали эскизный проект, и он выиграл. К нам обратились коллеги из институтов Российской академии наук с просьбой также взять производство станций для них. Получается, мы проектировали четыре такие конструкции, а непосредственно в Юрге изготавливали две и монтировали каркас еще двух.

Масса хатча одной станции достигает 50–60 тонн. При этом буквально каждое инженерное решение, используемое в них, было нестандартным. Все это было необходимо, чтобы обеспечить предельную защиту для персонала, который в дальнейшем будет работать на СКИФе. Так, нельзя было использовать обычные двери, окна, вентиляционные трубы: любое отверстие — путь для излучения. Для кабелей и труб пришлось проектировать сложные лабиринтовые системы. Даже вентиляция потребовала особых материалов: при воздействии рентгеновского излучения выделяется озон, который разрушает обычные стали. Нельзя было и просто прикрепить свинцовые панели — сверление создаёт микроотверстия, сквозь которые проходит излучение.

— Стены — сложный конструктивный элемент, состоящий из нескольких слоёв: свинца, стали и других элементов, призванных защищать людей и оборудование от жёсткого рентгеновского излучения, — объясняет Сергей Солодский.

— Мы со свинцом никогда не работали. Как варить металл, собирать колонну — понимали. А как защитить свинцом, разложить так, чтобы всё работало — задача нетривиальная, — признаётся доцент Юргинского технологического института ТПУ Максим Кузнецов.

В итоге на полноценное создание двух станций у ученых ушел примерно год. За это время конструкции сначала собрали и протестировали в Юрге, затем выполнили финальный монтаж в наукограде. Каждый раз на сборку уходило около месяца.

— Проектирование СКИФа — это стрессовое состояние для всего коллектива. Ночные работы, работы по выходным, 24/7. Конструкторы и проектировали, и уходили в производство, вносили корректировки. Это был очень бодрый период — семей-то не видели, — рассказывает Максим Кузнецов. — По итогам работы сделаны определенные выводы. При создании новых станций есть моменты, которые можно упростить, облегчить, потому что мы поняли, где хорошо собирается, где хуже.

Одна из станций, которую создавал ТПУ, — «Микрофокус». Её задача — сфокусировать мощный пучок синхротронного излучения в пятно диаметром до 200 нанометров. Это в 500 раз тоньше человеческого волоса. При необходимости пятно можно уменьшить ещё в четыре раза.

Зачем такая точность? Синхротронное излучение отличается от лабораторного рентгена двумя принципиальными вещами: монохроматичностью и колоссальной яркостью.

— Синхротрон отличается от других монохроматических источников тем, что излучения очень много. Яркость на десятки порядков больше, чем у любой рентгеновской трубки. Если в лаборатории мы делаем микротомографию за два-три часа, то на синхротроне это могут быть секунды — и мы можем буквально в реальном времени делать анализ структур. Это то, что недостижимо в обычной лаборатории, — объясняет инженер-программист Научно-образовательного центра перспективных исследований ТПУ Сергей Чистяков.

Одно из главных назначений станции «Микрофокус» — изучение распространения флюидов внутри геологических кернов для моделирования процессов и определения фильтрующих свойств разных пород. Таким образом, установка будет решать важнейшие промышленные задачи для нефте- и газодобычи.

Строительство завершено, но работа продолжается: предстоит пусконаладка, доводка программного обеспечения, финальный монтаж оборудования.

— Работы еще много. Одно дело собрать, но нужно еще и запустить оборудование. Работа с «железом» — одна из самых больших трат времени. Теперь необходимо настроить все оборудование так, как надо, — говорит Сергей Чистяков. — С одной стороны, сегодняшний день был долгожданным. Когда в наше бурное время подобные проекты завершаются — это само по себе уникально.

За участие в создании научного оборудования СКИФа учёные и инженеры ТПУ награждены благодарностями Министерства науки и высшего образования России. Это признание не только конкретной работы, но и того, что российская инженерная школа способна браться за задачи, которые прежде в стране никто не решал.

Фото: Савелий Петрушев, пресс-служба ТПУ

Текст: Егор Хворенков

Подписывайтесь на наш телеграм-канал «Томский Обзор».