В космическом масштабе: как разработки нижегородских учёных помогают изучать стихию

Создавать солнечные вспышки, метать молнии и выращивать алмазы из газа – этими и многими другими необычными исследованиями занимаются в Нижнем Новгороде в Федеральном исследовательском центре Институте прикладной физики имени Гапонова-Грехова Российской академии наук. Корреспондент «Нижегородской правды» побывал на экскурсии в ИПФ РАН, которая была организована в рамках форума науки и искусства «Универсум».

Алмазы из газа

В лаборатории алмазной электроники фотографировать нельзя. Технологии выращивания алмаза, которыми здесь занимаются, – ноу-хау института.

«Уникальные физические свойства алмаза делают его лучшим полупроводником для приборов, работающих в космосе, – говорит заведующий лабораторией физики СВЧ разряда, кандидат физико-математических наук Алексей Горбачёв. – Транзисторам на базе алмаза не страшен ни перегрев, ни космические лучи. В отличие от стекла алмаз без потерь пропускает большую часть спектра электромагнитных волн – ультрафиолетовые, видимый свет, ультракрасный, микроволны. Кроме того, алмаз – прекрасный диэлектрик, а теплопроводность у него в четыре раза лучше, чем у меди. Поэтому сейчас учёные всего мира работают над созданием полупроводниковых устройств, использующих уникальные свойства алмаза. Мы занимаемся совершенствованием технологии выращивания алмаза из газовой фазы СВЧ разряда. Алмаз растёт на внедрённой в нашу установку тонкой пластине, решётка выращиваемого кристалла строится, как дом из кирпичей».

Алексей Михайлович демонстрирует полупрозрачный диск диаметром 7 см – это образец искусственного алмаза, выращенный на кремнии. Его стоимость – около миллиона рублей.

«Преимущество такой технологии в том, что в природе нет алмазов, из которых можно вырезать подобный диск, – поясняет Алексей Горбачёв. – Он практически не поглощает проходящие через него микроволны и хорошо проводит тепло – через него можно выводить очень мощное электромагнитное излучение, необходимое, например, для нагрева плазмы в разрабатываемых термоядерных установках – наиболее перспективных источниках энергии будущего».

Добиться большей скорости выращивания алмазов нижегородские учёные рассчитывают с помощью гиротронов – электровакуумных приборов, которые генерируют мощное электромагнитное излучение. Гиротроны также являются разработкой Института прикладной физики совместно с научно-производственным предприятием ГИКОМ. Основная задача учёных – подобрать такие режимы, чтобы получить нужные свойства алмаза.

Смоделировать солнечные вспышки

Помимо энергетики нижегородские учёные большое внимание уделяют космическим технологиям.

«Солнечный ветер» – так романтично называется стенд лаборатории прикладной физики плазмы, на котором моделируется космическая погода. Шум от вакуумных насосов, откачивающих воздух. Давление даже ниже, чем за бортом МКС.

У нас за спиной – два мощных лазера, которые нужны для получения плазмы, перед нами – стенд для исследования плазмы высокочастотного разряда.

«Осторожно, стенд под высоким напряжением», – предупреждает старший научный сотрудник лаборатории прикладной физики плазмы, кандидат физико-математических наук Михаил Викторов.

Михаил Викторов моделирует и исследует процессы вспышек на солнце.

«Протуберанцы – это выбросы солнечной плазмы в космос, – рассказывает он.– На стенде создаётся неоднородное магнитное поле, по форме напоминающее арку протуберанца. С помощью уникальных плазмогенераторов направляем туда потоки заряженных частиц и смотрим, как эта плазма взаимодействует с магнитным полем. Это модель солнечной вспышки. Мы можем наблюдать, как вспышка плазмы пролетит по магнитному полю. Длительность процесса – 20 – 30 микросекунд (одна микросекунда– это миллионная доля секунды). Чтобы изучить стадии процесса, используется скоростная фотокамера с экспозицией от 20 наносекунд. Одна наносекунда – это одна миллиардная секунды. За полчаса можно сделать сотни кадров. Мы можем реализовать массу разных вариантов и исследовать, как это происходит в космосе. Такое невозможно увидеть в телескоп».

«Крот» и молнии

Теперь отправляемся в лабораторию моделирования геофизических и плазменных явлений. Официальный статус стенда «Крот» для моделирования космической плазмы – уникальная научная установка. По словам заведующего лабораторией, кандидата физико-математических наук Михаила Гущина, это крупнейшая плазменная установка в России, а по некоторым параметрам даже в мире. Установка находится в огромном трёхуровневом помещении площадью 800 квадратных метров.

«Именно этот комплекс был краеугольным камнем строительства ИПФАНа, и до сих пор он активно используется для фундаментальных и прикладных исследований космической плазмы, – объясняет Михаил Гущин. – Объём вакуумной камеры – 170 кубических метров. Такой объём позволяет поместить внутрь образцы приборов, чтобы проверить влияние на них космический плазмы. Под полом находится мощный импульсный высокочастотный генератор. Плазма создаётся на одну сотую доли секунды, с интервалом 20 секунд. Это очень дорогой и сложный объект государственного масштаба».

А ещё учёные изучают здесь молнии. Для этого есть два мощных генератора.

Установка для изучения физики молний напоминает башню. С её помощью моделируется длинный искровой разряд.

«Молния – это серьёзный поражающий фактор, она нарушает работу техники, таит опасность для человека, в ней много физик-технических тайн, – продолжает Михаил Гущин. – Установка позволяет сымитировать что-то похожее на молнию в лабораторных условиях, чтобы исследовать её параметры. Это генератор оптического, рентгеновского и электромагнитного СВЧ-излучения. На установке мы, например, испытываем системы защиты аппаратуры самолёта от молний: молния бьёт в электронику или антенну, и мы смотрим, не повреждаются ли они. Например, так проверялся «Сухой суперджет».

Так что исследования нижегородских учёных-физиков помогут не только создавать приборы для исследования космоса и термоядерных установок, но и предсказывать экстремальные метеорологические явления и многое другое, что сделает нашу жизнь более комфортной.