Как Томский политех создаёт станции СКИФа

Две станции и общая система управления

Томский политехнический университет создаёт для Сибирского кольцевого источника фотонов две экспериментальные станции: «Микрофокус» и «Электронная структура». Первая предназначена для исследования состава и свойств материалов, вторая — для изучения поверхности наноматериалов. В конце декабря 2024 года университет планировал завершить разработку оборудования до окончания года, а на монтаж в 2025 году отводил два месяца. На тот момент вместе с партнёрами были созданы пятнадцать научных установок, устройств и программных продуктов. Многие разработки вуз относил к импортозамещающим технологиям для России.

Особой задачей стала автоматизация станции целиком. Программная система должна согласовывать действия отдельных приборов с ограничениями ускорительного комплекса и требованиями радиационной безопасности. Разработчики испытывали её на университетском томографе. Проректор ТПУ по науке и стратегическим проектам Алексей Гоголев связывал следующий этап проекта с привлечением промышленных пользователей нового оборудования. Университет также обсуждал участие в других синхротронных проектах: «СИЛА» в Московской области и «Русский источник фотонов» на Дальнем Востоке. Эти направления оставались отдельными планами сотрудничества.

От эскиза к отдельным узлам

Проектирование «Микрофокуса» началось раньше изготовления оборудования. К марту 2023 года ТПУ и партнёры завершили эскизный этап, включая трёхмерную модель станции с научными приборами, ограничительными конструкциями и инженерными сетями. Следующими работами были подготовка конструкторской документации, создание отдельных элементов и управляющих программ. Внутри проекта станция имела первый номер, но по очерёдности запуска в производство была третьей. Её проектная специализация объединяла рентгеновскую микроскопию, микротомографию, рентгенофлуоресцентное сканирование и исследования кристаллов под высоким давлением. Проектная фокусировка предусматривала исследование микрообъектов размером до двухсот нанометров. Масса будущей установки оценивалась более чем в сто двадцать тонн, а стоимость — более чем в миллиард рублей.

В распределённой работе участвовали научно-образовательный центр перспективных исследований ТПУ, Новосибирский государственный технический университет, Институт физики микроструктур РАН и Институт геологии и минералогии имени В. С. Соболева СО РАН. ТПУ выступал интегратором. Зеркальный монохроматор предполагалось изготовить в Нижнем Новгороде, кристальный монохроматор и часть оборудования окружения образца — в Новосибирске. В университете проект привлекал научное управление, четыре школы и филиал в Юрге. Среди задач находились термостабилизация конструкции, управление сканированием и объединение приложений отдельных приборов в общую систему. Сроки завершения работ летом 2024 года и последующего монтажа тогда были плановыми.

Что исследует «Электронная структура»

В июле 2023 года ТПУ подключился к созданию второй станции — «Электронная структура». Партнёрами стали «Финансово-производственная компания в атомной энергетике» и «КР-Аналитика». Они должны были поставить рентгенооптические приборы, два вакуумных и два измерительных стенда. Университету поручались монтаж, шефмонтаж и шефналадка, защитные сооружения, инженерные системы и программно-аппаратное объединение оборудования. Стоимость будущей станции оценивалась более чем в миллиард рублей, а завершение работ планировалось в 2024 году.

Оборудование рассчитано на две независимые секции с разными исследовательскими возможностями. Фотоэлектронная спектроскопия высокого давления предназначена для наблюдения состава и электронной структуры активного компонента катализатора непосредственно во время реакции. На этой секции предполагается изучать также дезактивацию каталитических систем при изменении температуры, среды и присутствии отравляющих веществ. Вторая секция использует фотоэлектронную спектроскопию с угловым и спиновым разрешением для изучения твёрдых тел. Её задачи включают исследования для компонентной базы и новых принципов проектирования устройств молекулярной электроники, наноэлектроники и спинтроники. Заместитель директора СКИФа по научной работе Ян Зубавичус связывал возможности станции с разработкой катализаторов и функциональных материалов. В число предполагаемых объектов входят многослойные полупроводниковые структуры, углеродные композиты и наноструктурированные материалы.

Защитные конструкции проходят приёмку

В июле 2024 года в Юргинском филиале ТПУ состоялся технический приём первых каркасов хатчей. Так называют ограничительные конструкции, внутри которых размещается экспериментальное оборудование. Помимо радиационной защиты они несут инженерные сети: водяное охлаждение, подачу газов, электропитание, сигнальные линии, вентиляцию и кондиционирование. Поэтому при проектировании учитывается нагрузка от навесных систем. Размеры отдельных хатчей могут достигать восемнадцати метров в длину, четырёх с половиной метров в высоту и пяти метров в глубину.

По состоянию на июль каркасы и защита для «Электронной структуры» и «Структурной диагностики» уже были изготовлены и готовы к монтажу. Конструкции для «Микрофокуса» и «Быстропротекающих процессов» предполагалось подготовить к концу августа, последние каркасы для рентгеноабсорбционной спектроскопии и магнитного дихроизма — к началу ноября. Готовность отдельных изготавливаемых систем на июльском этапе оценивалась университетом в диапазоне от шестидесяти пяти до ста процентов. Общий график предусматривал окончание работ в ноябре 2024 года. После технического приёма каркасы должны были разобрать, окрасить и отправить на площадку в Новосибирскую область, где предусматривалась дополнительная обшивка свинцовыми пластинами. Учёные оценивали продолжительность монтажа научного оборудования сроком до четырёх месяцев, а конструкций и инженерных сетей — до двух месяцев. Оценки зависели от сложности конкретной станции.

Программа для цифрового керна

Для томографического сканирования керна разработчики ТПУ подготовили программное обеспечение. В июле 2024 года продукт прошёл лицензирование; использовать его предполагалось на «Микрофокусе». Модульная архитектура включает предварительную и последующую обработку проекционных данных, базовые и специализированные фильтры, методы восстановления томографического объёма. Программа допускает подключение моделей, интерактивного анализа и инструментов калибровки оборудования. Исследователи получают не только изображение, но и количественные характеристики внутренней структуры образца.

В перечень рассчитываемых характеристик входят:

• объём пор и площадь их горловин;
• параметры каверн и распределение пустот по объёму;
• диаметр, сферичность и связность элементов;
• их направленность в исследуемом материале.

Алексей Гоголев предлагал сочетать синхротрон с лабораторными томографами: сначала исследовать весь керновый материал и выбрать образцы для работы на пучке. Обычную продолжительность создания комплексного цифрового двойника на лабораторном томографе он оценивал как минимум в семь дней, а стоимость — примерно в миллион рублей. В опубликованной в 2024 году оценке такой подход позволял рассчитывать на обработку двадцати пяти образцов в день. Полный комплекс исследований партии более трёхсот образцов на СКИФе оценивался в семь–четырнадцать дней. Это были ожидаемые возможности будущей работы, а не статистика уже выполненной серии экспериментов на станции.

Подготовка будущих пользователей

В августе 2024 года ТПУ вошёл в консорциум по взаимодействию образовательных организаций и СКИФа. Соглашение подписали на форуме «Технопром» в Новосибирске. В объединение вошли двадцать три участника: образовательные учреждения, институты Сибирского отделения РАН и региональные органы власти. Среди партнёров были Томский государственный университет, Московский физико-технический институт, ИТМО, Сибирский федеральный университет и Институт катализа имени Г. К. Борескова. Общая работа должна была охватывать обучение, исследовательские проекты и разработку оборудования для центра.

Подготовка специалистов в Томском политехе началась до подписания соглашения. С 2020 года в университете действовали дополнительные программы по синхротронным источникам и ускорительной технике, а в 2023 году появился магистерский трек «Физика высоких энергий». Консорциум планировал сетевые образовательные программы, учебники, методические пособия и практику студентов на экспериментальных станциях. Отдельно предусматривались исследования для промышленных партнёров. Для школьников предполагались летние школы, для преподавателей вузов, колледжей и школ — повышение квалификации на базе СКИФа. Леонид Сухих связывал объединение участников с потребностью установки в квалифицированных инженерах и исследователях, учебных материалах и практическом опыте.

Хранение до готовности площадки

К сентябрю 2024 года техническая приёмка продвинулась дальше. ТПУ сообщил о готовности радиационной защиты, ограничительных конструкций и инженерных систем для «Микрофокуса», «Структурной диагностики», «Электронной структуры», а также станции базовых методов синхротронной диагностики для образовательной, исследовательской и инновационной деятельности студентов. Алексей Гоголев оценивал выполненный объём этих работ более чем в девяносто процентов. Эта оценка относилась к созданию соответствующих конструкций и систем, а не к готовности всей научной программы центра.

После экспертной приёмки оборудование предполагалось упаковать и разместить на гарантийном хранении в ТПУ до ввода зданий СКИФа в эксплуатацию. Одновременно с конца сентября университет и партнёры планировали начать техническую сдачу научных приборов. Завершение изготовления оставшихся конструкций ожидалось к концу ноября 2024 года. В проекте фигурировали двенадцать хатчей и шесть контрольных кабин. Приёмка такого оборудования, его хранение и последующая доставка были самостоятельными этапами подготовки станций. На площадке требовалось затем установить конструкции и инженерные коммуникации, а научные приборы проходили собственную процедуру сдачи, предусмотренную университетским графиком работ.

Две задачи рентгеновского микроскопа

В декабре 2024 года ТПУ собрал микроскоп «Икс-рэй ай» (X-ray eye) для «Микрофокуса». У него предусмотрены две роли: настройка пучка и самостоятельные исследования методами нанорадиографии и нанотомографии. При наблюдении изображения на сцинтилляционном экране операторы смогут определять размер пучка, его расходимость и смещение относительно заданной оси. Эти параметры нужны для настройки оптического тракта и получения пучка в точке расположения образца. Прямые измерения пучков размером менее пяти микрометров затруднительны. Для их характеристики применяются косвенные методы, в том числе с использованием рентгеновских микроскопов.

Микроскоп позволяет менять поле зрения и быстро заменять монокристаллические сцинтилляционные экраны. Режим работы можно выбирать с приоритетом пространственного разрешения либо чувствительности. Для самостоятельного исследования образцов университет указывал базовое пространственное разрешение до 270 нанометров. При дополнении оптического тракта станции дифракционными элементами разработчики рассчитывали выйти на предел в пятьдесят нанометров. Эти параметры относятся к разным конфигурациям. Среди предполагаемых задач назывались наблюдение движения флюидов в порах горных пород и исследования флюидов в чипах. Программное управление микроскопом разрабатывалось в ТПУ; возможность применения аналогичных приборов на станциях второй очереди тогда обсуждалась.

Когда разработка завершена, а монтаж ещё впереди

В августе 2025 года университет объявил о завершении разработки научного оборудования и программ для обеих станций. Всего для мегасайенс-проекта к этому этапу были созданы двадцать пять новых устройств и систем. Большинство из них ТПУ относил к импортозамещающим разработкам. Для выполнения работ университет объединил свыше ста шестидесяти компаний и научных институтов. Готовность к монтажу была представлена во время посещения площадки заместителем председателя правительства Дмитрием Чернышенко на форуме «Технопром-2025».

Инженеры начали устанавливать ограничительные конструкции и коммуникации в июне 2025 года. К августовскому сообщению были полностью смонтированы станция базовых методов синхротронной диагностики и оптические хатчи «Микрофокуса» и «Электронной структуры». Установку научных приборов университет собирался начать после завершения строительных работ. За «Микрофокусом» закреплялась большая сеть производителей приборов и комплектующих; для «Электронной структуры» работала отдельная группа компаний и институтов. Исполняющий обязанности ректора Леонид Сухих и Алексей Гоголев представляли эти работы на площадке строящегося источника.

Договоры и распределение ответственности

В июне 2026 года вклад участников проекта обсуждался на встрече президента Владимира Путина с министром науки и высшего образования Валерием Фальковым. Министр выделил четыре коллектива: ТПУ, томский Институт сильноточной электроники, новосибирский Институт гидродинамики имени М. А. Лаврентьева и Конструкторско-технологический институт научного приборостроения. Более полутора тысяч договоров в его выступлении относились к работе этих коллективов, а не только к двум станциям Томского политеха.

Собственная кооперация ТПУ для «Микрофокуса» охватывала более ста пятидесяти партнёров и свыше ста пятидесяти договоров на изготовление, поставку и монтаж оборудования. В ней участвовали организации из Калининграда, Белгорода, Нижнего Новгорода, Новосибирска, Москвы, Санкт-Петербурга и Екатеринбурга. Для «Электронной структуры» университет привлёк десять компаний и научных институтов, заключив более двадцати договоров. На этой станции вуз отвечал за монтаж приборов и инженерных конструкций. В состав кооперации входили разработчики рентгенооптики, систем фокусировки, цифровой обработки сигналов и других узлов. Договорные работы объединяли создание научной аппаратуры с её поставкой, установкой и подключением к станционным системам.

Заявленная готовность в августе 2026 года

Во время посещения СКИФа Владимиром Путиным 11 августа 2026 года Леонид Сухих сообщил о стопроцентной готовности обеих станций ТПУ к эксплуатации и исследованиям. В университетском сообщении к первой очереди относились семь собранных экспериментальных станций, а создание тридцати станций до 2035 года оставалось планом. Над вкладом Томского политеха в проект четыре года работали более двухсот пятидесяти человек: инженеры, конструкторы, проектировщики, физики, программисты и металлурги.

Для самого «Микрофокуса» университет и партнёры создали двадцать устройств и систем. В их числе были кристальный и двухзеркальный монохроматоры, система фокусировки, преломляющие линзы и многоканальная цифровая обработка сигналов. Алексей Гоголев приводил пример кристаллов монохроматора длиной двести миллиметров: для их полировки понадобилась дополнительная установка. Требуемую неровность поверхности он характеризовал атомным масштабом. Ещё одной задачей он называл обработку терабайтов данных, ожидаемых за час–полтора работы источника. Разработанные алгоритмы предполагалось использовать для обработки потока данных во время эксперимента. Оценки поверхности и информационной нагрузки описывали инженерные требования и ожидаемый режим, а не результаты измерения исследуемых образцов.

Работа инженеров в Юрге

В августовском интервью инженеров ТПУ отдельное внимание получили защитные сооружения. Директор Юргинского технологического института Сергей Солодский объяснял, что после конкурса эскизных проектов «Микрофокуса» к университету обратились коллеги из институтов РАН с другими заказами. По его словам, коллектив проектировал четыре конструкции, две непосредственно изготавливал в Юрге и ещё для двух монтировал каркас. Такая работа объединяла проектирование с производственными операциями на площадке университетского филиала.

Для защитных боксов требовались специальные решения дверей, окон и вентиляционных каналов. Стены включали несколько слоёв со свинцом, сталью и другими элементами. Доцент Юргинского института Максим Кузнецов рассказывал, что работа со свинцом была для коллектива новой задачей, тогда как сварка и сборка металлических конструкций уже входили в накопленный опыт. В опубликованном рассказе команда всего проекта ТПУ насчитывала 256 человек разных специальностей. Среди участников был инженер-программист центра перспективных исследований Сергей Чистяков, работавший с задачами синхротронных исследований. Вклад филиала, разработчиков программ и проектировщиков относился к разным частям создаваемой станции: защитным конструкциям, аппаратуре и её цифровому управлению.

Какие образцы предполагается исследовать

В августе 2026 года среди первых предполагаемых экспериментов «Микрофокуса» назывались исследования рудных пород. Рентгенофлуоресцентный анализ на синхротронном пучке предназначен для изучения элементного состава без разрушения образца. В опубликованной программе указывалась возможность обнаруживать микросодержания ценных элементов, локализовать интересующий участок и строить трёхмерные карты распределения вещества. К задачам станции относили геологию, геофизику, микроэлектронику и материаловедение. Разведка золота, платины, редкоземельных элементов и нефти фигурировала как область применения исследований, а не как уже полученный производственный результат.

Один из планируемых опытов был связан с кернами месторождения Сухой Лог. Учёные собирались уточнять формы нахождения золота в сложных рудах, исследовать роль органического вещества в его перераспределении и вырабатывать рекомендации для обогащения. Другая задача касалась поиска микрочастиц внеземного происхождения в донных осадках озёр Тунгусского заповедника. В кернах ранее обнаружили аномальные слои, датируемые 1908–1909 годами; озёра находятся примерно в тридцати–сорока километрах от эпицентра события 30 июня 1908 года. План поиска частиц ещё не означал установления их происхождения или получения результатов на новой станции. Эти исследования должны были использовать подготовленные методы анализа состава и внутренней структуры образцов.