Будущие специалисты атомной отрасли: три направления современной ядерной науки

Атомная отрасль — это не только энергетические реакторы, но и масштабная экосистема, включающая фундаментальные и прикладные исследования. Передовые трековые детекторы для поиска новых частиц, радиофармацевтические препараты для высокоточного лечения онкологических заболеваний, неразрушающий нейтронный контроль промышленных изделий — именно эти направления сегодня определяют технологическую независимость и будущее отрасли.

О том, какими научными задачами занимаются исследователи и какими компетенциями должны овладеть специалисты нового поколения, рассказали казахстанские ученые, работающие в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) — международной межправительственной научно-исследовательской организации, расположенной в городе Дубна.

Мухамеджанов Ержан

Мухамеджанов Ержан — PhD, ведущий научный сотрудник Лаборатории физики космических лучей Института ядерной физики Агентства Республики Казахстан по атомной энергии; заместитель ученого секретаря Лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна); руководитель Национальной группы сотрудников ОИЯИ от Республики Казахстан.

1. Чем занимаются трековые детекторы и какую информацию они позволяют получить в экспериментах физики высоких энергий?

Если говорить просто, трековый детектор позволяет увидеть траекторию заряженной частицы после ее рождения или взаимодействия в эксперименте. Сама частица для нас невидима, но, проходя через чувствительные элементы детектора, она оставляет последовательность сигналов. По этим точкам мы восстанавливаем ее путь.

Это дает очень большой объем физической информации. Если детектор находится в магнитном поле, по искривлению траектории можно определить импульс частицы и знак ее электрического заряда. По совокупности треков можно найти точку, в которой произошло взаимодействие, или восстановить распад короткоживущей частицы.

Поэтому трековая система в современном эксперименте — это в определенном смысле его «зрение». В одном событии могут одновременно рождаться десятки и даже сотни частиц, и наша задача — с высокой точностью восстановить их траектории, понять, откуда они появились, и затем вместе с информацией от других систем детектора реконструировать произошедший физический процесс.

2. В чем особенность технологии Straw Tracker?

Straw — это очень тонкая трубка диаметром всего несколько миллиметров, заполненная газовой смесью. В центре нее натянута тонкая проволока, на которую подается высокое напряжение. Когда через трубку проходит заряженная частица, она ионизирует газ. Возникшие электроны движутся к проволоке и формируют электрический сигнал. По времени прихода этого сигнала можно определить положение частицы, а из большого количества таких измерений восстановить ее траекторию.

Существует две основные технологии производства таких трубок. Первая — это намотка тонкой полимерной пленки с последующим соединением ее слоев. Вторая — ультразвуковая сварка, когда края очень тонкой металлизированной полимерной пленки свариваются ультразвуком и образуют продольный герметичный шов.

Именно второе направление мы сегодня развиваем в Казахстане. Эта технология была разработана в ОИЯИ в сотрудничестве с ЦЕРН и уже доказала свою надежность в крупных международных экспериментах. Она позволяет работать с чрезвычайно тонкими пленками — примерно от 12 до 40 микрон. Для сравнения, человеческий волос обычно имеет толщину порядка нескольких десятков микрон. При этом из такой пленки необходимо изготовить трубку длиной в несколько метров, обеспечить геометрическую точность, герметичность шва и стабильность ее характеристик. Это достаточно сложная и высокоточная технология.

Для нас принципиально важно, что сейчас происходит трансфер этой передовой детекторной технологии из ОИЯИ в Казахстан. Казахстан является государством-членом ОИЯИ, поэтому речь идет не просто о покупке оборудования или готовой производственной линии. Наши специалисты проходили подготовку непосредственно в ОИЯИ, участвовали в разработке и изготовлении детекторов и теперь переносят весь комплекс знаний и технологических процессов на площадку Института ядерной физики в Алматы. При этом мы не только осваиваем существующую технологию, но и вместе с коллегами продолжаем ее развивать для будущих экспериментов.

Масштаб применения хорошо показывает, насколько востребована эта технология. Например, в эксперименте NA62 в ЦЕРН, участником коллаборации которого является Институт ядерной физики Казахстана, четыре трекерные станции содержали 7168 straw-трубок. Этот детектор успешно эксплуатировался в вакууме более десяти лет. Для будущего нейтринного эксперимента DUNE речь идет уже примерно о четверти миллиона straw-трубок. То есть это переход от тысяч к сотням тысяч элементов, а значит, требования к воспроизводимости производства и контролю качества становятся еще более серьезными.

Одно из главных преимуществ Straw Tracker — минимальное количество вещества на пути частицы. Сам детектор должен как можно меньше влиять на ту частицу, которую мы измеряем. Очень тонкие стенки straw-трубок позволяют создавать большие трековые системы с высокой точностью и при этом минимизировать рассеяние частиц.

Поэтому современный Straw Tracker — это уже не просто набор газовых трубок. Это целый комплекс технологий: производство ультратонких элементов, точная механика, контроль качества, газовые системы, электроника считывания, моделирование и программная обработка сигналов. И особенно важно, что сегодня значительную часть этой технологической цепочки мы создаем непосредственно в Казахстане.

3. Какие задачи решает коллаборация DRD1 в ЦЕРН?

DRD1 — это большая международная коллаборация, созданная для развития газовых детекторных технологий следующего поколения. Важно отметить, что Институт ядерной физики Казахстана не просто присоединился к уже сформированной коллаборации. Наши специалисты принимали активное участие еще на этапе ее создания — в обсуждении научно-технической программы, формировании направлений исследований и конкретных задач, которые сегодня реализуются в рамках DRD1.

Это для нас принципиально важно, потому что показывает другой уровень международного сотрудничества. Мы не только подключаемся к готовым экспериментам, но и участвуем в определении того, какие детекторные технологии необходимо развивать для будущих установок.

Сама программа DRD1 очень широкая. Она включает разработку новых конструкций газовых детекторов, материалов и газовых смесей, повышение пространственного и временного разрешения, работу при высоких интенсивностях частиц, развитие электроники считывания, методов моделирования и обработки сигналов. Отдельное направление связано со straw-трекерами — совершенствованием технологии изготовления трубок, созданием новых механических конструкций, разработкой электроники и исследованием характеристик таких детекторов.

Для ИЯФ участие в DRD1 особенно ценно еще и потому, что оно напрямую связано с той технологической базой, которую мы сегодня создаем в Казахстане. У нас уже запущена линия производства straw-трубок, и теперь задача состоит не только в том, чтобы воспроизводить существующую технологию, но и самим участвовать в ее дальнейшем развитии.

Именно такой формат сотрудничества я считаю наиболее перспективным: когда казахстанские ученые не просто используют решения, разработанные где-то еще, а вместе с ведущими мировыми центрами участвуют в постановке задач, исследованиях и создании технологий для следующего поколения экспериментов.

4. Что дает участие казахстанских ученых в международных проектах DUNE, SHiP и SPD?

Прежде всего, это возможность участвовать не просто в отдельных исследованиях, а в создании крупных экспериментальных установок практически с самого начала — от разработки и испытания технологий до производства детекторов, их монтажа, эксплуатации и последующего анализа физических данных.

При этом DUNE, SHiP и SPD — это три совершенно разных по своим научным задачам проекта, но для нас их объединяет то, что во всех трех востребованы компетенции, которые мы сегодня развиваем в области трековых детекторов.

SHiP — будущий эксперимент в ЦЕРН, предназначенный для поиска очень слабо взаимодействующих и долгоживущих частиц, которые могут дать ответы на вопросы, выходящие за рамки Стандартной модели физики частиц. Эксперимент будет запущен после нынешнего этапа масштабной модернизации ускорительного комплекса ЦЕРН. Для SHiP создается новая высокоинтенсивная экспериментальная инфраструктура на пучке протонов SPS, а начало работы установки запланировано уже на следующий этап эксплуатации комплекса. ИЯФ участвует в работах по созданию straw-трекера для этого эксперимента: в Казахстане уже изготавливались трубки, которые были направлены в ЦЕРН и прошли испытания.

DUNE — один из крупнейших будущих нейтринных экспериментов в мире. Он должен помочь существенно продвинуться в понимании свойств нейтрино и, в частности, различий в поведении вещества и антивещества. Масштаб его трековой системы беспрецедентен — речь идет примерно о четверти миллиона straw-трубок. Для нас участие в таком проекте означает необходимость осваивать уже не только изготовление отдельных прототипов, но и технологии массового производства, автоматизированного контроля качества и сборки больших детекторных модулей.

SPD создается на коллайдере NICA в ОИЯИ и будет исследовать спиновую структуру протона и дейтрона. Здесь наши специалисты также непосредственно участвуют в разработке straw-трекера, его проектировании, создании прототипов и подготовке производства.

Для Казахстана особенно важно, что эти проекты не существуют для нас отдельно друг от друга. Мы формируем единую технологическую компетенцию, которая затем применяется сразу в нескольких международных экспериментах. Оборудование, специалисты и знания, которые мы развиваем в ИЯФ, могут использоваться для задач ОИЯИ, ЦЕРН, DUNE и последующих проектов.

И в этом, на мой взгляд, заключается главное преимущество такого участия. Казахстанский ученый или инженер уже не просто приезжает в международную лабораторию работать с готовой установкой. Мы можем разработать элемент детектора, изготовить его в Алматы, провести контроль качества, передать его в международный эксперимент, участвовать в сборке и запуске системы, а затем вместе с коллегами получать и анализировать физические данные.

Именно такая полная цепочка — от разработки технологии и производства до физического результата — позволяет не только участвовать в мировой науке, но и создавать собственную сильную школу экспериментальной физики в Казахстане.

5. Какие знания и навыки необходимы молодому специалисту, который хочет работать с современными детекторными системами?

Современный физик-экспериментатор должен находиться на стыке сразу нескольких направлений. Конечно, необходима хорошая фундаментальная подготовка — ядерная физика, физика частиц, понимание процессов взаимодействия излучения с веществом. Но сегодня этого уже недостаточно.

Нужно разбираться в электронике, основах конструирования и механики, понимать принципы работы систем сбора данных. Огромную роль играет программирование. Современный эксперимент невозможно представить без компьютерного моделирования, обработки больших объемов данных и программной реконструкции событий. Поэтому навыки работы с C++, Python, ROOT, Geant4 и специализированным программным обеспечением становятся практически обязательной частью профессии.

При этом хороший физик-экспериментатор, на мой взгляд, не должен замыкаться только на программировании или только на работе с оборудованием. Очень важно понимать весь экспериментальный цикл: как устроен детектор, каким образом возникает физический сигнал, как он преобразуется электроникой, как попадает в систему сбора данных и как из этих данных в конечном итоге получается физический результат.

Отдельно я бы выделил английский язык и умение работать в международной команде. Большие эксперименты объединяют сотни и тысячи специалистов из разных стран. Нужно уметь читать техническую документацию, обсуждать результаты на рабочих совещаниях, представлять свою работу и нести ответственность за свою часть общей установки.

Но самое главное — молодой специалист должен как можно раньше получать реальный практический опыт. Собрать прототип своими руками, провести измерения, написать программу анализа, принять участие в испытаниях на пучке, поработать на сменах в эксперименте. Физик-экспериментатор формируется именно через сочетание фундаментальных знаний и практической работы.

Мы сейчас стараемся подходить к подготовке молодых специалистов достаточно системно. ИЯФ тесно работает с казахстанскими университетами, вовлекая студентов, магистрантов и докторантов в реальные научные и технологические проекты еще во время обучения. Одним из важных инструментов здесь становятся совместные образовательные программы, в том числе программы двойных дипломов с Университетом «Дубна». Они позволяют объединить обучение в Казахстане с доступом к научной школе и инфраструктуре ОИЯИ.

При этом наша команда сама по себе очень молодая. И для меня особенно отрадно видеть молодых ребят, которые действительно много работают, постоянно учатся и приходят в лабораторию с тем самым профессиональным азартом, с «горящими глазами». Это, пожалуй, один из самых важных признаков того, что мы движемся в правильном направлении. Когда молодой человек или девушка не просто выполняет поставленную задачу, а сам начинает задавать вопросы, предлагать решения, хочет поехать на эксперимент, разобраться в установке, сделать что-то своими руками — именно из этого и вырастает настоящий исследователь.

Отдельно я бы отметил девушек, которые приходят сегодня в экспериментальную физику. Несмотря на до сих пор существующий стереотип о том, что это преимущественно мужская профессия, девушки очень успешно проявляют себя и в работе с детекторами, и в моделировании, и в анализе данных, и непосредственно в экспериментальной работе. Особенно приятно видеть, как новое поколение постепенно меняет эти, казалось бы, давно устоявшиеся представления. Для науки это очень хороший и, на мой взгляд, совершенно естественный процесс: в конечном счете здесь определяющими должны быть способности, интерес к работе и готовность добиваться результата, а не пол человека.

На мой взгляд, наиболее эффективна именно такая модель: университет дает фундаментальную подготовку, исследовательский институт — практические компетенции, а участие в ОИЯИ, ЦЕРН и других международных проектах позволяет молодому специалисту сразу включаться в современную мировую науку.

6. Какой вы видите роль Казахстана в развитии экспериментальной ядерной физики и физики высоких энергий?

Мне кажется, за последние годы Казахстан уже достаточно серьезно изменил свое положение в международном научном сообществе. Сегодня мы можем говорить не только об отдельных ученых, работающих в крупных зарубежных центрах, а о сформировавшихся командах, которые берут на себя конкретную ответственность в международных проектах.

Хороший пример — наша национальная группа в ОИЯИ. Сегодня это более 80 специалистов, и она является самой многочисленной среди национальных групп государств-членов ОИЯИ после Российской Федерации. При этом это очень молодая команда: средний возраст наших сотрудников — около 30 лет. Порядка 25 человек уже имеют ученые степени кандидата физико-математических наук или PhD, и, думаю, в ближайшие годы мы увидим в этой группе и первых докторов наук нового поколения.

Что особенно важно — казахстанские специалисты в ОИЯИ находятся на хорошем счету. Они работают не только на исследовательских позициях, но и все активнее берут на себя ответственность за отдельные научные направления, группы, детекторные системы и крупные проекты. Наши специалисты уже начинают занимать и руководящие должности в структуре ОИЯИ.

Для нас это очень важный этап. Мы фактически растим уже не только сильных физиков и инженеров, но и организаторов науки — людей, которые умеют формировать научные команды, координировать большие проекты, принимать управленческие решения и выстраивать международное сотрудничество. Именно появление такого поколения специалистов показывает, что национальная научная школа становится зрелой и способной не только участвовать в крупных проектах, но и брать на себя лидерство и ответственность за их реализацию.

Похожий процесс мы сейчас наблюдаем и в ЦЕРН. Если еще несколько лет назад присутствие Казахстана там было достаточно ограниченным, то сегодня название нашей страны звучит уже значительно чаще. ИЯФ участвует в нескольких коллаборациях ЦЕРН, наши специалисты работают с детекторами, участвуют в тестовых пучках, анализе данных, разработке и производстве компонентов будущих установок. Постепенно складывается репутация Казахстана как страны, которая очень динамично развивается в экспериментальной физике и способна не только участвовать в крупных проектах, но и вносить в них собственный технологический вклад.

На мой взгляд, сейчас перед нами стоит уже следующая задача. Нам недостаточно просто закрепиться в статусе заметного и надежного участника международных коллабораций. Нужно выбирать те направления, где у нас есть сильная научная школа, инфраструктура и возможность создать собственную технологическую базу, и стремиться войти в число мировых лидеров именно в этих областях.

Одним из таких направлений вполне могут стать детекторные технологии. Сегодня в Казахстан переносится технология производства straw-детекторов, развивается собственная производственная и испытательная база, наши специалисты участвуют в проектах ОИЯИ, ЦЕРН и DUNE. Вокруг этого формируются компетенции в точной механике, электронике, моделировании, программном обеспечении, новых материалах и системах контроля качества.

И здесь для меня принципиально важно, чтобы результат измерялся не только количеством публикаций или числом наших ученых за рубежом. Мы должны стремиться к тому, чтобы в крупнейших международных экспериментах можно было сказать: эту систему разрабатывали казахстанские ученые, эти компоненты произведены в Казахстане, здесь создана соответствующая технология, здесь готовится следующее поколение специалистов.

У Казахстана для этого есть и человеческий потенциал, и научная база, и главное — очень сильное молодое поколение исследователей. Поэтому, на мой взгляд, наша задача на ближайшие годы — не просто сохранить нынешнюю динамику, а конвертировать ее в устойчивые научные школы, собственные технологические компетенции и новое поколение научных лидеров и организаторов науки. Тогда Казахстан будет восприниматься не просто как активно развивающаяся страна в области экспериментальной физики, а как один из мировых центров компетенций в тех направлениях, где мы действительно способны быть сильными.

Аягоз Баймуханова

Аягоз Баймуханова — кандидат химических наук. Она занимает должность заместителя директора Лаборатории ядерных проблем имени В. П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) по научной работе.

Основное направление ее научной деятельности — разработка радиофармацевтических препаратов. Ее кандидатская диссертация посвящена получению радионуклидов для ядерной медицины.

Помимо научной работы, она активно занимается популяризацией науки, регулярно участвует в просветительских проектах, посвященных достижениям ученых и современной ядерной науке.

1. Что такое радиофармацевтические препараты и как они применяются в современной медицине?

Радиофармпрепараты — это особый класс лекарств, в состав которых входят радионуклиды. Их уникальность в том, что они работают сразу в двух направлениях: помогают обнаружить болезнь и могут воздействовать на неё. Это возможно потому, что радиоактивная метка, соединенная с биологическим вектором — молекулой, избирательно связывается с опухолевыми клетками. Именно радионуклид, оказавшись в составе такого препарата, накапливается в патологических очагах, и его излучение регистрируется специальной аппаратурой, которая строит изображение распределения радиоактивности в теле. Если вместо диагностического радионуклида использовать терапевтический — например, альфа- или бета-излучающий, — можно уничтожать клетки, не задевая здоровые ткани. Это называется тераностикой (theranostics) — сочетанием терапии и диагностики. Сегодня такие препараты всё шире применяются в онкологии: с их помощью можно выявить опухоль на ранней стадии и начать прицельное лечение.

2. Почему получение терапевтических радионуклидов важно для онкологических заболеваний?

Диагностическая ядерная медицина сегодня — это вполне сложившаяся, отлаженная индустрия. Есть рутинные радиофармпрепараты на основе 18F для позитронно-эмиссионной томографии и 99mTc для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии. Как 18F, так и 99mTc производятся в том числе в Институте ядерной физики в Казахстане. Это надёжный, проверенный инструмент, который позволяет определять опухоли, оценивать их распространённость и следить за эффективностью лечения.

Но когда мы говорим о терапии, картина совсем другая. В мире утверждено лишь несколько терапевтических радиофармпрепаратов — на основе 90Y, 177Lu, 223Ra, 225Ac. Их очень мало, они дороги, и они не закрывают все потребности онкологии. При этом потребность в эффективной терапии огромна: рак остаётся одной из главных причин смертности, а метастазы и резистентные опухоли часто не поддаются традиционным методам. Поэтому развитие терапевтических радионуклидов — это ключевая задача современной ядерной медицины.

Особое место здесь занимают оже-излучатели. Это, на мой взгляд, возможное будущее ядерной медицины. Если доставить такой радионуклид прямо в ядро клетки, он может эффективно повредить ДНК и запустить гибель опухолевой клетки, почти не задевая соседние здоровые ткани. Это делает оже-терапию идеальной для борьбы с одиночными раковыми клетками и микрометастазами.

Однако есть серьёзная проблема: для оже-излучателей пока нет эффективных биологических векторов, которые могли бы доставить радионуклид именно в ядро. Большинство существующих векторов — антитела, пептиды — приводят к накоплению в цитоплазме или на поверхности клетки, а для оже-терапии критически важно попасть в ядро. Это отдельная развивающаяся область, и её прогресс откроет дорогу к клиническому применению оже-радионуклидов. Но уже сейчас понятно, что это направление очень перспективно. В Институте ядерной физики мы разрабатываем методы получения оже-излучающих радионуклидов, например 107Cd, и параллельно идёт поиск подходящих векторов. Я уверена, что в ближайшие годы оже-терапия сможет стать прорывом в лечении онкологических заболеваний.

3. Какие специалисты участвуют в создании и применении радиофармпрепаратов?

Создание и применение радиофармпрепаратов — это командная работа, где каждый специалист решает свою задачу. Радиохимики занимаются получением и разделением радионуклидов, а также их химическим связыванием с биологическими молекулами. Ядерные физики обеспечивают работу ускорителей и реакторов, на которых нарабатываются радионуклиды. Химики-органики синтезируют векторы — молекулы, которые доставляют радиоактивную метку к опухоли. Радиобиологи исследуют, как разные виды излучения действуют на клетки и ткани, какие механизмы повреждения и гибели опухолевых клеток запускаются, и как повысить эффективность терапии, не повреждая здоровые ткани. Инженеры разрабатывают оборудование для генераторов и автоматизированных систем синтеза. Врачи-онкологи применяют препараты для диагностики и лечения пациентов, а медицинские физики отвечают за дозиметрию и безопасность. Без слаженной работы всех этих специалистов создание и использование радиофармпрепаратов было бы невозможно.

4. Какой путь может пройти молодой ученый, который хочет заниматься ядерной медициной?

Прежде всего нужно получить фундаментальное образование — в области ядерной физики и радиохимии. Важно не только усвоить теорию, но и найти практическое применение знаниям. Я сама пришла в радиохимию после ядерной физики и поняла, что меня привлекает именно получение медицинских радионуклидов. Дальше стоит искать возможности для работы в научных центрах, где есть доступ к ускорителям, реакторам и современным лабораториям. Нужно развивать в себе упорство, потому что наука — это часто рутинный труд и неудачи, после которых важно подниматься и пробовать снова. И конечно, не бояться задавать вопросы и учиться у тех, кто уже работает в этой области. Мой собственный путь привёл меня к тому, что я стала первой женщиной-учёным из Казахстана, избранной на должность заместителя директора по науке Лаборатории ядерных проблем Объединённого института ядерных исследований. Это показывает, что при упорстве и любви к науке можно достичь самых высоких позиций.

5. Почему ученым важно говорить с обществом о своей работе понятным языком?

Потому что наука не должна оставаться в башне из слоновой кости. Когда ученые рассказывают о своей работе простыми словами, это разрушает стереотипы — например, что наука доступна только избранным или что это исключительно мужское занятие. Такие разговоры вдохновляют молодежь выбирать научные профессии. Кроме того, открытость помогает обществу понять, что исследования направлены на решение реальных проблем, таких как борьба с раком. Это формирует доверие и показывает, что наука — это не про оружие, а про надежду и спасение жизней. И личный пример ученого, который сочетает сложную работу с обычной жизнью, тоже очень важен.

Мухаметулы Багдаулет

Мухаметулы Багдаулет — PhD, старший научный сотрудник Лаборатории нейтронной физики Института ядерной физики Агентства Республики Казахстан по атомной энергии; заместитель директора по научной работе Лаборатории нейтронной физики имени И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна).

Одной из основных задач нашей команды стало возобновление и дальнейшее развитие нейтронной научной школы в Казахстане, в частности на базе Института ядерной физики и исследовательского реактора ВВР-К.

Нейтронные методы исследований имеют большое значение для современной науки. Они позволяют изучать структуру и свойства материалов на уровне, который невозможно получить только с помощью традиционных рентгеновских методов. Нейтроны особенно чувствительны к лёгким элементам, изотопам водорода, литию, бору и другим элементам, а также позволяют исследовать магнитные свойства и внутреннюю структуру различных материалов. Поэтому развитие экспериментальной нейтронной базы непосредственно связано с развитием материаловедения, физики конденсированного состояния, ядерной физики, энергетики и других научных направлений.

В Казахстане такая научная школа исторически существовала, однако со временем возможности для проведения современных нейтронных исследований существенно сократились. Поэтому перед нашей командой стояла не просто задача восстановить отдельные эксперименты, а фактически создать условия для нового этапа развития нейтронных исследований в стране.

Для реализации этой задачи нами были разработаны научные проекты, направленные на развитие комплекса нейтронных установок на базе реактора ВВР-К. При этом мы исходили из принципа поэтапного развития: сначала необходимо было создать базовые экспериментальные возможности, подготовить специалистов и сформировать научные компетенции, а затем переходить к более сложным современным нейтронным методам.

Важную роль в этом процессе сыграло научно-техническое сотрудничество с Объединённым институтом ядерных исследований. Благодаря этому сотрудничеству в 2019 году на базе ВВР-К была создана установка для нейтронной радиографии и томографии. Это направление позволило проводить неразрушающие исследования внутреннего строения различных объектов и материалов и стало одним из первых практических шагов по восстановлению современной экспериментальной нейтронной инфраструктуры в Казахстане.

Следующим важным этапом стало создание установки нейтронной рефлектометрии. В 2024 году была завершена работа по её созданию и вводу в эксплуатацию. Нейтронная рефлектометрия открывает совершенно другой класс исследований — позволяет изучать тонкие плёнки, многослойные структуры, поверхности и границы раздела материалов на нанометровом уровне. Это особенно важно для современных функциональных материалов, покрытий, магнитных и полупроводниковых структур.

Сегодня мы продолжаем развивать это направление. В настоящее время реализуется проект по созданию нейтронного порошкового дифрактометра на базе реактора ВВР-К. Это уже следующий уровень развития экспериментальной базы. Дифракционные методы позволяют получать информацию о кристаллической структуре материалов, определять параметры решётки, фазовый состав, структурные изменения и другие характеристики.

Таким образом, речь идёт не о создании отдельных установок, существующих независимо друг от друга. Мы формируем целый комплекс нейтронных методов исследования, который в перспективе позволит учёным решать широкий спектр научных и прикладных задач.

Для нас принципиально важно и то, что вместе с созданием оборудования формируется новое поколение специалистов. Нельзя возродить научную школу только за счёт приобретения или установки оборудования. Необходимы специалисты, которые умеют работать с нейтронным пучком, понимают физику взаимодействия нейтронов с веществом, владеют методиками эксперимента, обработкой данных и интерпретацией результатов. Поэтому параллельно с развитием установок мы занимаемся подготовкой молодых исследователей и расширением международного научного сотрудничества.

Особое значение здесь имеет сотрудничество с ОИЯИ и другими научными центрами. Оно позволяет нашим специалистам получать опыт работы на крупных нейтронных источниках, обмениваться методиками, совместно проводить эксперименты и постепенно переносить полученные компетенции на казахстанскую экспериментальную базу.

Можно сказать, что сейчас мы создаём фундамент для новой нейтронной школы Казахстана. Если раньше основной задачей было восстановить возможности для проведения нейтронных исследований, то сегодня мы уже говорим о создании полноценной научной инфраструктуры, на которой смогут работать несколько поколений исследователей.

И конечная цель этой работы заключается не только в том, чтобы иметь современные установки на реакторе ВВР-К. Наша задача — чтобы эти установки активно использовались для научных исследований, чтобы на их базе появлялись новые проекты, публикации, диссертационные работы и международные исследования, а Казахстан становился полноценным участником международного сообщества в области нейтронных исследований.

Поэтому развитие нейтронной инфраструктуры на базе ВВР-К мы рассматриваем как долгосрочный проект. Это одновременно развитие экспериментальной базы, подготовка кадров, создание новых научных компетенций и формирование условий для дальнейшего развития нейтронной науки в Казахстане.

1. Что изучает нейтронная физика конденсированного состояния?

Нейтронная физика конденсированного состояния изучает строение и свойства веществ на атомном и нанометровом уровнях с помощью нейтронов. Нейтроны позволяют исследовать не только атомную структуру материалов, но и их магнитные свойства, динамику атомов, внутренние напряжения и процессы, происходящие внутри вещества.

Особенность этого направления заключается в том, что нейтронные методы дают информацию, которую зачастую невозможно получить другими способами. С их помощью исследуют металлы и сплавы, керамику, полимеры, магнитные и сверхпроводящие материалы, аккумуляторные материалы, конструкционные и ядерные материалы.

Развитие этого направления в Казахстане имеет особое значение благодаря наличию исследовательского реактора ВВР-К в Институте ядерной физики. Реактор создает основу для развития отечественной экспериментальной нейтронной физики, а научно-техническое сотрудничество с Объединённым институтом ядерных исследований в Дубне позволяет использовать международный опыт и компетенции.

В рамках научно-технического сотрудничества с ОИЯИ уже создан ряд современных экспериментальных установок. В 2019 году была создана установка нейтронной радиографии и томографии, в 2024 году — установка нейтронной рефлектометрии. В настоящее время реализуется действующий проект по созданию нейтронного порошкового дифрактометра, который расширит возможности структурных исследований материалов с использованием монохроматических тепловых нейтронов.

Таким образом, совместная работа с ОИЯИ способствует последовательному развитию экспериментальной нейтронной физики в Казахстане и формированию современной научной инфраструктуры на базе реактора ВВР-К.

2. Чем нейтронная радиография и томография отличаются от привычных методов исследования материалов?

Главное отличие заключается в характере взаимодействия нейтронов с веществом. Рентгеновское излучение взаимодействует преимущественно с электронами, тогда как нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами и имеют другую способность проникать через различные материалы.

Это дает важные преимущества. Нейтроны хорошо проходят через многие металлы и одновременно чувствительны к легким элементам, особенно к водороду. Поэтому с помощью нейтронной радиографии можно исследовать распределение влаги, водорода, масел и других веществ внутри металлических конструкций, где рентгеновские методы могут быть менее информативными.

Нейтронная томография позволяет получить трехмерное изображение внутренней структуры объекта без его разрушения. Это фактически возможность заглянуть внутрь изделия и увидеть скрытые дефекты, внутренние компоненты и распределение отдельных элементов.

Развитие таких методов на базе ИЯФ Казахстан, в том числе на реакторе ВВР-К, открывает возможности для решения прикладных задач отечественной науки и промышленности. В то же время взаимодействие с научными центрами ОИЯИ позволяет совершенствовать методики, обмениваться опытом и расширять круг исследовательских задач.

3. Какие задачи промышленности можно решать с помощью нейтронных методов?

Спектр задач достаточно широкий. Нейтронные методы применимы для неразрушающего контроля качества материалов и изделий, поиска внутренних дефектов, исследования сварных соединений, определения остаточных напряжений и изучения распределения водорода.

Для Казахстана это особенно актуально с учетом развития энергетики, машиностроения, нефтегазовой отрасли, металлургии и производства новых материалов.

Например, можно исследовать внутреннее состояние деталей после механической или термической обработки, контролировать изменения материалов после эксплуатации, изучать аккумуляторы и топливные элементы, исследовать процессы деградации конструкционных материалов.

Здесь мы видим важное направление сотрудничества между ИЯФ Казахстан и ОИЯИ. Национальная инфраструктура, такая как ВВР-К, позволяет развивать собственные экспериментальные возможности, а международное сотрудничество дает доступ к широкому спектру методик, оборудования и научных компетенций. В перспективе это позволяет переходить от фундаментальных исследований к решению конкретных технологических задач предприятий.

4. Почему неразрушающий контроль внутренних напряжений особенно важен для конструкционных материалов и изделий?

Внутренние, или остаточные, напряжения могут практически не проявляться внешне, но при этом существенно влиять на надежность изделия. Они возникают после сварки, термической обработки, механической обработки и других технологических операций.

Если остаточные напряжения распределены неблагоприятным образом, они могут способствовать образованию трещин, деформации и преждевременному разрушению конструкции.

Нейтронная дифракция позволяет определить деформации кристаллической решетки и на этой основе оценить остаточные напряжения, причем исследование можно проводить без разрушения изделия.

Особенно важно это для крупных, сложных и дорогостоящих конструкций. Именно здесь нейтронные методы становятся не только научным инструментом, но и потенциальным инструментом промышленной диагностики.

Развитие соответствующих экспериментальных возможностей в ИЯФ Казахстан и взаимодействие с ОИЯИ позволяют формировать компетенции, необходимые для дальнейшего развития таких исследований в Казахстане.

5. Как нейтронные исследования помогают создавать и проверять новые функциональные материалы?

Сегодня недостаточно просто создать новый материал — необходимо понять, почему он обладает определенными свойствами и как эти свойства связаны с его внутренней структурой.

Нейтронные методы позволяют исследовать структуру материала и отслеживать ее изменения под воздействием температуры, давления, магнитного поля и других факторов. Особенно ценна возможность проводить исследования в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации. Например, можно изучать материалы для аккумуляторов и водородной энергетики, магнитные материалы, сверхпроводники, ядерные и конструкционные материалы.

Для ИЯФ Казахстан это одно из перспективных направлений развития экспериментальной базы на ВВР-К. В свою очередь, сотрудничество с ОИЯИ позволяет включать казахстанские исследования в более широкую международную научную кооперацию, обмениваться методиками и совместно развивать новые экспериментальные подходы.

В конечном итоге задача заключается в том, чтобы связать атомную структуру материала с его функциональными свойствами, оптимизировать состав и технологию производства и повысить надежность конечного изделия.

6. Какие компетенции сегодня наиболее важны для молодых исследователей в нейтронной физике?

Современному молодому специалисту недостаточно хорошо знать только физику. Нейтронные исследования находятся на стыке физики, материаловедения, инженерии, вычислительных технологий и анализа данных. Я бы выделил несколько ключевых компетенций: понимание физики нейтронного рассеяния и взаимодействия нейтронов с веществом, умение работать с экспериментальным оборудованием, обработка и анализ больших массивов данных, программирование и компьютерное моделирование, включая методы Монте-Карло.

Для молодых специалистов ИЯФ Казахстан особенно важно сочетать работу с отечественной экспериментальной базой ВВР-К с опытом международных научных центров. В этом отношении сотрудничество с ОИЯИ дает возможность молодым ученым участвовать в совместных исследованиях, обмениваться опытом и работать в международных научных коллективах.

Современная нейтронная наука вообще развивается именно благодаря международному взаимодействию. Поэтому знание английского языка, способность работать в команде и готовность осваивать новые экспериментальные и вычислительные методы становятся такими же важными, как фундаментальная физическая подготовка. Сегодня молодой исследователь должен быть одновременно немного физиком, инженером, специалистом по данным и программистом. А главное — он должен понимать, что современная наука не ограничивается одной лабораторией или одной страной. Развитие нейтронных исследований в Казахстане, развитие инфраструктуры ИЯФ и сотрудничество с ОИЯИ создают для молодых ученых возможность быть частью этого международного научного пространства.