Практически на каждой стадии своего развития наука не могла идти вперед без приборного парка, и со временем исследовательское оборудование становилось сложнее и сложнее. В настоящий момент, когда всё большее значение приобретает мультидисциплинарный подход, невозможно назвать область знания, которая не нуждалась бы в тонкой и дорогостоящей аппаратуре. Сибирские ученые готовы предложить свои решения в области научного приборостроения.
«Для того чтобы проводить работу по оснащению научных и образовательных организаций нашей страны необходимыми приборами, Президиумом Российской академии наук была создана Комиссия РАН по модернизации приборной базы научных организаций (Приборная комиссия), и я являюсь ее председателем, — рассказывает заместитель председателя СО РАН, научный руководитель Института “Международный томографический центр СО РАН” академик Ренад Зиннурович Сагдеев. — Мы тесно взаимодействуем с Министерством науки и высшего образования РФ, и сейчас деятельность идет по двум основным программам».
Первая касается обновления приборной базы и работает уже пять лет. Академик Сагдеев отмечает, что в этом году она заканчивается, а новая, рассчитанная на следующую пятилетку, сейчас находится в процессе обсуждения. «За эти годы вложено примерно 65 миллиардов рублей в закупку оборудования для институтов и вузов страны, около 300 организаций обновили свою приборную базу. Конечно, в этом списке есть институты и вузы Сибирского макрорегиона», — говорит Ренад Зиннурович.
Вторая программа, совершенно необходимая и крайне важная в нынешних санкционных условиях, когда приобретение хороших приборов, европейских, американских и японских, невозможно, напрямую касается вопроса о развитии отечественного научного приборостроения. «В этой области отставание у нас колоссальное, — признается Ренад Сагдеев, — но сейчас объявлена новая федеральная программа, которая так и называется “Развитие отечественного научного приборостроения для гражданских целей”. Она реализуется совместно с РАН, и в этом году был проведен открытый конкурс — со всех научных и образовательных организаций страны поступило около 300 заявок. Из них для финансирования было выбрано больше десяти — пока немного, но это первый шаг, и я считаю, у программы большое будущее».
В числе организаций, представители которых выступали на заседаниях Приборной комиссии, — МТЦ СО РАН и Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН. «Заместитель директора МТЦ по научной работе кандидат физико-математических наук Сергей Леонидович Вебер рассказал о спектрометре импульсного электронного парамагнитного резонанса, — называет академик Сагдеев. — И. о. директора КТИ НП СО РАН кандидат физико-математических наук СО РАН Станислав Рудольфович Шакиров говорил о спектре разработок института, уже внедренных и опробованных».
Импульсный ЭПР-спектрометр 9ГГц в НИОХ СО РАН
ЭПР-спектрометр
«Работы в области приборостроения мы начали довольно давно, решая свои специализированные задачи в рамках фундаментальных исследований, — рассказывает Сергей Вебер. — В числе таких разработок были и совместные проекты: так, во взаимодействии с Новосибирским институтом неорганической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН около десяти лет назад мы улучшили характеристики коммерческого резонатора, а совместно с Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН на их уникальной научной установке “Лазер на свободных электронах” создали свою станцию по ЭПР-спектроскопии, собрав для нее наш первый самодельный ЭПР-спектрометр с высоким уровнем чувствительности».
В 2018 году НИОХ СО РАН выиграл мегагрант, в рамках которого под руководством иностранного ученого Майкла Боумана и директора института профессора, доктора физико-математических наук Елены Григорьевны Багрянской решались актуальные задачи в области исследования структуры и функций белков и нуклеиновых кислот, патологических процессов, протекающих при различных заболеваниях, с использованием современных методов спектроскопии электронного парамагнитного резонанса и специально разрабатываемых спиновых зондов и спиновых меток. Часть финансирования, по условиям гранта, была заложена на создание импульсного ЭПР-спектрометра, который должен быть оптимизирован именно под биологическую проблематику.
«В настоящее время это направление ЭПР-спектроскопии одно из самых массовых и горячих в своей области. Если рассматривать материаловедение, то очень много задач решается с так называемыми биополимерами — это РНК, ДНК, и в подобных исследованиях есть проблема малых концентраций изучаемых молекул, что приводит к малой интенсивности регистрируемого сигнала. Исследование подобного класса объектов возможно только на самых современных ЭПР-спектрометрах, позволяющих применять передовые методы ЭПР», — поясняет Сергей Вебер.
В рамках реализации мегагранта НИОХ СО РАН специалисты МТЦ СО РАН были ответственны как раз за разработку и создание необходимого прибора, с помощью которого можно было бы работать по задачам проекта. «Очень многое в этом направлении было сделано во взаимодействии с российскими производственными компаниями, — говорит ученый. — Это оказалось возможным потому, что ключевым блоком ЭПР-спектрометра является СВЧ-мост, а в России традиционно хорошо развита технологическая область, связанная с СВЧ. Во многом благодаря этому у нас получилось в относительно сжатые сроки в сотрудничестве с профильными заводами и предприятиями изготовить по нашему техническому заданию СВЧ-мост, соответствующий мировому уровню, а по ряду параметров — превосходящий его. Это первое. Второе: мы, конечно, использовали опыт зарубежных коллег и наши предыдущие наработки, в том числе в средствах программного обеспечения научных установок. Ведь высокие эксплуатационные характеристики современных установок во многом обусловлены средствами управления и автоматизации. Созданный нами пакет программ обеспечивал необходимую гибкостьв автоматизации установки, то есть отсутствие каких-либо ограничений на реализацию передовых экспериментальных протоколов и протоколов взаимодействия с конкретными модулями ЭПР-спектрометра. С помощью такого ПО мы смогли интегрировать в одной машине российские комплектующие СВЧ и импортные высокоскоростные генераторы сигналов и дигитайзеры, чтобы всё смогло заработать в едином комплексе».
Сергей Вебер подчеркивает: после успешного завершения мегагранта работа на созданном для НИОХ СО РАН ЭПР-спектрометре не завершилась. Он продолжает эффективно использоваться в институте для других задач и совместных проектов с другими научными организациями.
«Конечно, мы тоже продолжаем развиваться, — продолжает исследователь. — Была создана вторая аналогичная установка, которая сейчас находится на ЛСЭ в ИЯФ СО РАН. В связи с изменившимися условиями нами ведется работа в направлении замещения иностранных комплектующих, которые использовались в первых установках, на российские. Надо сказать, что это получается делать вполне успешно: в нынешнем году мы планируем впервые запустить полнофункциональный спектрометр на ЛСЭ с использованием российских высокоскоростных генераторов и дигитайзеров. Конечно, уровень сложности оборудования высокий, и такой переход потребовал времени. Только создание и тестирование программного обеспечения для данного перехода заняло больше года».
Кроме того, ряд решений, выработанных в рамках реализации мегагранта, применили и для приборов в МТЦ. Так, была увеличена мощность микроволновых импульсов на другой установке, что позволило успешно реализовать целый ряд фундаментальных исследований, связанных с биологическим ЭПР. В 2023 году специалисты реализовали контракт с Казанским физико-техническим институтом им. Е. К. Завойского КазНЦ РАН по увеличению мощности их установки. «Работы шли в рамках обновления приборной базы, и это хороший пример использования выделенных средств внутри страны, ведь в рамках контракта мы разместили заказы на предприятиях, которые обеспечили нас нужными комплектующими, впоследствии интегрированными в аппаратуру КФТИ», — поясняет Сергей Вебер.
Он добавляет, что в России спектроскопия электронного парамагнитного резонанса является менее распространенным, но не менее важным методом, чем спектроскопия ядерного магнитного резонанса, и полученные наработки позволяют обеспечить суверенитет страны в современных методах ЭПР.
«Что касается ЯМР, то здесь проблема технологического суверенитета стоит гораздо острее, равно как и проблема функционирования в ближайшей перспективе имеющегося парка ЯМР-спектрометров ввиду санкционных ограничений, — комментирует ученый. — В российских исследовательских и образовательных учреждениях сейчас эксплуатируется порядка 200 приборов, купленных достаточно давно. Упрощенно говоря, такие машины состоят из сверхпроводящих магнитов, время жизни которых исчисляется десятилетиями, и электроники, которая морально устаревает и/или начинает ломаться спустя 10—15 лет эксплуатации. Поломки ЯМР-спектрометров происходят уже сейчас, но скоро это примет массовый характер, что поставит под угрозу срыва реализацию множества фундаментальных проектов, а также снизит аналитические возможности лабораторий прикладной направленности. В условиях фактического отсутствия сервиса со стороны западных производителей данного оборудования любая поломка может привести к полной остановке работы ЯМР-спектрометра. Приборы такого исследовательского уровня в РФ сейчас не производятся, и сложившейся ситуацией дефицита научного оборудования активно пользуются производители из Китая, предлагая российским исследователям свои продукты».
Частичной альтернативой, по мнению Сергея Вебера, видится собственная разработка и поставка электроники и специализированного программного обеспечения, которые позволят существенно продлить срок эксплуатации имеющихся спектрометров. Наработки в области ЭПР, имеющиеся в МТЦ СО РАН, могут быть перенесены и на ЯМР-направление, ведь это методы магнитного резонанса, безусловно, имеющие свою специфику, но во многом позволяющие найти схожее решение.
«Генераторы сигналов произвольной формы, которые мы используем в современных ЭПР-спектрометрах, являются, по сути, неотъемлемой и ключевой частью ЯМР-спектрометров. На их основе целесообразно изготавливать соответствующие модули с целью замены вышедших из строя оригинальных комплектующих. Для нас очевидна целесообразность поддержки таких разработок со стороны государства. Но критическая ситуация наблюдается во многих областях научного приборостроения, и в условиях ограниченных ресурсов необходимо расставлять приоритеты. В свою очередь, мы доносим нашу позицию до соответствующих органов — приборных комиссий, действующих в структуре Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук. И в случае поддержки готовы обеспечить развитие приборостроения в области магнитного резонанса в интересах фундаментальных и прикладных исследований множества институтов РФ», — заключает Сергей Вебер.
Фронтенды для ЦКП СКИФ, изготовленные в КТИ НП
КТИ НП: от проекта до готового прибора
«У нас реализован замкнутый цикл: научно-исследовательские работы—опытно-конструкторские работы— изготовление опытного образца—его испытание — внедрение у заказчика с последующим авторским сопровождением», — описывает принцип работы и. о. директора КТИ НП СО РАН кандидат физико-математических наук Станислав Рудольфович Шакиров. Он добавляет, что в числе отличительных особенностей института — успешная деятельность в условиях жесткой конкуренции, высокая завершенность продукции и технологий, а также гибкая и оперативная интеграция с научным потенциалом других организаций.
«Напоминаю, КТИ НП уже более пятидесяти лет разрабатывает, производит и сопровождает контрольно-измерительное и технологическое оборудование для научных и промышленных применений любой сложности, — говорит Станислав Шакиров. — В список этого оборудования входят прецизионные системы высокого разрешения, интеллектуальные системы неразрушающего контроля, автоматизированные системы управления, системы технического зрения и так далее».
Визитная карточка КТИ НП СО РАН — аппаратура для бесконтактной диагностики различных параметров тех или иных элементов. Подобные устройства специалисты института спроектировали и изготовили для предприятий атомной, электронной, алмазо- и нефтедобывающей промышленности, машиностроения, железнодорожного транспорта. «Решение многих актуальных проблем в этих областях требует разработки и создания измерительных технологий с микро- и нанометровым разрешением и высокой производительностью, — поясняет ученый, — и мы очень хорошо умеем это делать».
Одним из сложнейших вызовов для КТИ НП стало изготовление оборудования для ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов». В рамках первой очереди строительства СКИФ предполагается создание шести экспериментальных станций. Для всех этих объектов институт проектирует и производит фронтенды — комплексы оборудования для вывода синхротронного излучения из основного накопителя на экспериментальную станцию. Именно фронтенды формируют пучки СИ и обеспечивают их параметры, необходимые для исследований.
«В связи с этим глобальным проектом перед нами встал ряд непростых задач, — рассказывает Станислав Шакиров. — В первую очередь это как раз вопрос импортозамещения. Когда проектировались станции для ЦКП СКИФ, включая фронтенды, подразумевалась довольно большая доля иностранных комплектующих. После того как ситуация поменялась, пришлось искать новые решения. Тем не менее это дало мощный импульс для того, чтобы развивать собственные наработки и компетенции, работать с российскими поставщиками и партнерами».
Ученый подчеркивает, что для выполнения проекта в КТИ НП значительно модернизировали собственное производство, закупив необходимое оборудование, освоили новые компетенции, например вакуумные технологии, увеличили количество сотрудников, создали автоматизированные системы управления и нужное программное обеспечение и так далее. «Было непросто, но должен сказать, что работа идет полным ходом: недавно мы закончили фронтенды для первых трех станций ЦКП СКИФ, — отмечает Станислав Шакиров. — Весной будут готовы остальные, а летом нынешнего года оборудование уже начнет монтироваться на основном кольце накопителя».
Однако фронтендами задачи КТИ НП СО РАН, связанные с ЦКП СКИФ, не исчерпываются — институт выступает интегратором работ по станции первой очереди «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне». Планируется, что на ней будут проводиться медико-биологические, материаловедческие и ряд других исследований, которым нужен мощный пучок СИ. Большая часть устройств для станции разрабатывается и производится в КТИ НП.
«Почему нам удается успешно выполнять сложнейшие технологические задачи? Потому что у нас имеются высококвалифицированные специалисты, экспериментальная база, действующее опытное производство и необходимый бэкграунд для быстрой выработки новых компетенций, — перечисляет Станислав Шакиров. — Однако есть ряд проблем, которые касаются не только нас, но и других институтов приборостроительного профиля».
Две самые основные из этих проблем касаются устаревшего приборного и станочного парка, а также дефицита непосредственных исполнителей. «Зачастую институты с ярко выраженной прикладной составляющей относились ко второй категории и не получали целевого финансирования на оборудование. Поэтому я думаю, что таким организациям надо выделять дополнительные средства на модернизацию, в том числе опытных производств, — комментирует ученый. — Также ощущается сильная нехватка инженерно-технического персонала, а без грамотных инженеров и рабочих в прикладной экспериментальной науке хороших результатов не добиться. Я считаю, нужны специальные меры поддержки для таких специалистов, точно такие же, как для научных сотрудников, и речь тут не только о зарплате. Об этом я тоже говорил на заседании Приборной комиссии РАН».
«Наука в Сибири»
Фото предоставлено Сергеем Вебером (1), пресс-центра ЦКП СКИФ (2), Кирилла Сергеевича (анонс)
