Дальше радуги. "В мире науки" №11, 2019

Лаборатория высокоинтенсивной имплантации Исследовательской школы высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета располагает коллекцией массивных установок, каждая из которых уникальна. Ничего подобного в мире не создано. «Прикрывайте за собой дверь», — гласит табличка на стене. На вопрос, где же дверь, мне указывают на огромную, во всю стену, многотонную железобетонную плиту, закрыть которую можно только с помощью
специального механизма. Физики шутят, и это прекрасно. Чем же они занимаются здесь в свободное от шуток время — наш разговор с заведующим лабораторией Александром Ильичом Рябчиковым, профессором, доктором физико-математических наук.

Александр Ильич, расскажите, чем вы занимаетесь в своей лаборатории.

Наша лаборатория с момента ее создания занимается задачами исследования новых источников плазмы, разработкой источников ионов и исследованием закономерностей модификации свойств материалов пучками заряженных частиц и плазмой. На протяжении всей нашей истории у лаборатории были определенные достижения. Известен в мире плазменный фильтр, изобретенный в нашей лаборатории, который очень компактен и эффективен в очистке плазмы вакуумной дуги от микрокапельной фракции. Именно этот прибор позволил нам создать уникальный высокоинтенсивный источник ионов, который мы назвали «Радуга». «Радуга-5» — это самый мощный в мире источник ионов, обеспечивающий модификацию структуры и свойств материалов ионной имплантацией.

Но сегодняшние наши достижения немножко отходят от высокоэнергетичной установки «Радуга», где энергия ионов составляет десятки килоэлектронвольт. Мы изобрели новые источники, разработали их. Это источники очень высокоинтенсивные, с плотностью ионного тока, достигающей 1 А/см², но при энергиях ионов в сотни и единицы килоэлектронвольт. Такие пучки, как выяснилось, могут производить уникальное воздействие на поверхностные слои материалов.

Хотя ионная имплантация имеет свои недостатки, она получила хорошее развитие в полупроводниковой промышленности. А вот что касается модификации металлов и сплавов, оказалось, нужны глубины существенно большие, чем обеспечивает пробег ионов в материалах. Обычно модифицируемый слой не превышает долей микрометра. Но с точки зрения изменения износостойкости материала в ряде приложений это находит применение. Однако в большинстве случаев такие слои быстро изнашиваются, разрушаются, и фактически ионная имплантация редко используется для модификации металлов и сплавов. Есть одно исключение— азотирование. Ионное азотирование за счет диффузионного проникновения дает свои эффекты. И эта плазменно-иммерсионная имплантация находит промышленное применение в мире — в Соединенных Штатах, Европе.

А в России?

В России она применяется мало. Сегодня мы, разрабатывая новый метод высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии, снимаем этот барьер. За счет радиационно-стимулированной диффузии ионы проникают на глубины в десятки и сотни микрометров. Нам удалось найти способ решить эту проблему. Считаю важным подчеркнуть, что эта работа была поддержана финансово Российским научным фондом.

Давайте попробуем объяснить для человека, не сведущего в столь непростых материях: как все это происходит?

Все делает сам пучок, его интенсивность. Если в обычной имплантации используются пучки с плотностью от микроампер на квадратный сантиметр до нескольких миллиампер на квадратный сантиметр, в нашем пучке плотность ионного тока натри порядка выше. И, соответственно, радиационно-стимулированная диффузия оказывается на порядки выше.

Само понятие «имплантация ионов» — что это такое? Мы привыкли думать, что имплантация— это что-то медицинское, замещение органа какой-то искусственной тканью. А что у вас?

Имплантация — это внедрение. В медицине — каких-либо конструкций в наше тело, а здесь — внедрение ионов. Ион— это ионизованный атом. Это какой-то элемент. Просто у него один или несколько электронов оторваны от оболочки. Он становится заряженной частицей, и ее можно ускорять. Ускорив, придавая ему энергию, мы его внедряем в тело. Такое внедрение и называется «имплантация».

В тот или иной материал?

Да. внутрь материала. Это изменяет свойства материала, например делает его прочнее или устойчивым к какому-либо воздействию. Все зависит от того, какой мы выбираем сорт ионов, какую ставим задачу. В соответствии с этой задачей мы меняем структуру, создаем неравновесные фазовые состояния, и свойства материала изменяются.

Зачем это нужно?

Дело в том. что сегодня металлургия практически исчерпала свои возможности, и поэтому требуются методы нестандартного воздействия на поверхность твердого тела. Это и лазерное воздействие. и воздействие электронных пучков высокой мощности, и мощные ионные пучки, в том числе ионная имплантация и осаждение покрытий. Осаждение покрытий, как оказывается, тоже имеет свои недостатки. Например, покрытие сверхтвердое. но адгезионная прочность, то есть сцепление этого покрытия с основой материала, низкое. И есть проблема отслоения, то есть низкая адгезия. В нашем случае ионы внедряются в сам материал и нет проблем адгезии, поскольку нет слоев. Кроме того, мы можем модифицировать элементный состав, микроструктуру и свойства материалов на глубинах, существенно превышающих толщины обычно формируемых покрытий.

Насколько эта технология безопасна для человека?

Это пока не технология. Пока это наши научные исследования, которые показывают, что мы можем модифицировать глубокие слои, например увеличивать износостойкость нержавеющей стали в 100 раз. Но до технологии нам еще не один год, поскольку есть задачи фундаментального характера, и мы должны найти их решение, чтобы потом довести до технологии. Обычно ионная модификация материалов совершенно безопасна для человека. Конечно, продукт может стать и опасным, если, например, вы создаете радиоактивный индикатор и имплантируете в образец ионы радиоактивного изотопа.

Но ведь наверняка у вас есть разработки, которые уже были внедрены и стали технологиями? Вы сказали о «Радуге». Существует ли что-то еще?

Да. Например, в Уфимском государственном авиационном университете находится целая комплексная установка, которая используется совместно с авиационным заводом. Это наша разработка, востребованная в авиации и космической промышленности. Наша установка активно используется в Китае, других странах. К сожалению, сегодня в России есть сложности внедрения, связанные с состоянием нашей промышленности.

То есть у нас пока все не так радужно, как вам хотелось бы?

Тем не менее я с оптимизмом смотрю вперед. Эта наукоемкая разработка у нас еще будет востребована. поскольку она может иметь ряд важнейших применений, и в то же время она не дорогостоящая, что также немаловажно. Наш плазменно-иммерсионный подход сточки зрения финансовых затрат имеет преимущество по сравнению с теми разработками, которые у нас были ранее. Поэтому, когда мы будем готовы переходить к технологиям, я думаю, мы найдем партнеров и у газовиков-нефтяников, и у тех, кто работает на авиацию, космос. Там очень нужны материалы с улучшенными свойствами, причем кардинально улучшенными. Уверен, это будет находить свое применение.

А в медицинской промышленности?

Думаю, и до таких разработок мы постепенно доберемся. В той же имплантации, о которой мы уже говорили. Может быть, возможно применять не титан и титановые сплавы, а модифицированные, более дешевые материалы. Кроме того, надо улучшать коррозионные свойства, повышать износостойкость утех же суставных элементов. Я думаю, это может найти применение во всех областях народного хозяйства— и в сельском хозяйстве, где те же плуги и другую технику надо упрочнять, чтобы меньше ломались, изнашивались детали и механизмы.

Я увидела у вас в лаборатории много молодежи. Это все ваши ученики?

Это выпускники нашего университета. Один из них недавно защитил кандидатскую диссертацию. Кандидатов у нас четыре человека, я доктор наук. Есть и молодежь, которая только поступила в аспирантуру и готовится к защите. Будущее за молодежью, и наша задача — с их помощью провести все эти исследования и найти пути решения. А дальше уже будет их задача — развивать и внедрять эти наработки.

Ребята вас радуют? Есть ли у них энтузиазм?

Вы можете сами на них посмотреть. Они молодцы. Активные, творческие, сообразительные. Не всегда я ими доволен, но это у меня повышенные требования и к себе, и к окружающим. Не надо только об этом писать, а то еще прочтут и расслабятся. В целом у нас хороший коллектив. Если бы коллектив не работал — у нас бы не было достижений.

Слышала, недавно у вас прошли научные конференции в Томске и в Китае — и ваши выступления произвели фурор.

Фурор — это громко сказано, но хорошее впечатление мы, безусловно, произвели. Мой приглашенный доклад в Томске на впервые проводимой здесь международной конференции по модификации свойств материалов ионными пучками вызвал большой интерес. Я докладывал о развитии этого нового метода высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии. Всех поразило то. что это действительно область, в которой пока никто не проводил исследования — не было инструмента. И то, какие мы разработали методы для формирования ионных потоков, какие получили результаты при имплантации, — конечно, впечатлило всех, кто участвовал в нашей секции. А на конференции по ионным источникам в Китае нас приняли как дорогих гостей, слушали очень внимательно. Дело в том, что в области ионной модификации материалов Томский политехнический университет в России и в мире занимает лидирующее положение — и все это признают.

Выходит, вы впереди планеты всей?

Да. это правда. Ионная имплантация перекрывает широкую область от микроамперных токов до килоамперных. Так вот, нигде в мире ни одной организацией вся эта область не перекрывается. Даже всеми вместе. Это делает только ТПУ. В свое время в НИИ ядерной физики ТПУ разрабатывались для этих целей и сильноточные имплан- теры типа «Радуги», и ускорители мощных наносекундных пучков ионов типа «ТЕМП». А теперь мы развиваем новую область и для нее разрабатываем источники ионов с параметрами, которых ранее нельзя было достигнуть.

Знаю, у вас было множество публикаций в престижных международных научных журналах.

Да, мы публикуем наши достижения, а поскольку они обладают несомненной новизной, наша лаборатория не встречает здесь никаких трудностей. В прошлом году мы напечатали в ведущих научных журналах мира 18 статей, и здесь, я думаю, мы стали лидерами, может быть даже не только в ТПУ. Это вселяет надежду на то, что все наши разработки скоро будут нужны и дома, в нашей стране.

■

Беседовала Наталия Лескова