Томский центр компетенций по синхротронным исследованиям подвел итоги работы
В Институте сильноточной электроники СО РАН успешно завершается выполнение масштабного научного проекта по in situ методам синхротронных исследований многослойных функциональных структур, созданных пучково-плазменной инженерией поверхности. Четырёхсотмиллионный грант был получен в 2021 году в рамках Федеральной научно-технической программы по развитию синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019–2027 годы.
Для реализации проекта под научным руководством академика РАН Николая Ратахина в структуре ИСЭ СО РАН был организован Научно-исследовательский центр «Томский центр компетенций в области пучково-плазменной инженерии и синхротронных исследований». Всего в научном проекте задействованы 8 соисполнителей: это томские вузы (ТГУ, ТПУ и ТУСУР), Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск), Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН (г. Новосибирск), Институт электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург), Уфимский университет науки и технологий и Научно-производственная ассоциация «Технопарк авиационных технологий» (г. Уфа).
На фото: заведующий НИЦ ТЦК Антон Тересов
– Главной задачей НИЦ ТЦК стало накопление и распространение компетенций, связанных с использованием синхротронного излучения при проведении научных исследований. Для этого в центре были организованы две лаборатории – лаборатория методов синхротронных исследований (руководитель Максим Сыртанов) и лаборатория компонентов и систем для синхротронных исследований (руководитель Сергей Ковальский). На протяжении четырех лет НИЦ ТЦК участвовал в создании уникального научного оборудования и разработке методик проведения синхротронных исследований, а также велась подготовка специалистов, том числе будущих пользователей исследовательских станций Сибирского кольцевого источника фотонов – установке класса «мегасайенс», которая строится в наукограде Кольцово под Новосибирском, – рассказывает Антон Тересов, заведующий НИЦ ТЦК.
Так, в ходе реализации проекта создан лабораторный вакуумный электронно-ионно-плазменный стенд (ВЭИПС-1). Он объединяет в себе возможности нескольких ключевых пучково-плазменных методов синтеза функциональных слоев и покрытий на поверхности конструкционных материалов, а также методы диагностики свойств материалов с использованием синхротронного излучения. Этот стенд отправлен в Институт ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск) и размещен на 6-м канале источника синхротронного излучения ВЭПП-3. Оборудование уже используется для исследования процессов при синтезе многослойных структур в режиме реального времени (in situ) для анализа их качественного и количественного фазового состава. Второй, аналогичный стенд ВЭИПС-2 находится в Томске в ИСЭ СО РАН и используется с целью предварительной отладки методик перед экспериментами на синхротронах.
На фото: лабораторный вакуумный электронно-ионно-плазменный стенд (ВЭИПС-1) в ИЯФ СО РАН
– Дело в том, что обычно процессы, связанные с модификацией поверхностей и напылением покрытий, длятся от десятков минут до нескольких часов. Поэтому раньше исследования, целью которых был выбор оптимальных режимов обработки, были очень длительными. Теперь же время их определения сокращается в разы, поскольку используемая методика in situ синхротронных исследований позволяет оперативно менять условия синтеза структур тут же, отслеживая изменения их фазового состава в режиме реального времени, – поясняет Антон Дмитриевич.
Научные коллективы, входящие в состав исполнителей проекта, уже провели первые успешные эксперименты с использованием ВЭИПС-1. Исследованы закономерности влияния условий формирования многослойных и многоэлементных структур на их фазовый состав, нано- и микроструктуру. На стенде изучены нитридные, оксидные, карбидные и боридные покрытия, пленки высокоэнтропийных сплавов, твердотельные литий-ионные проводники, композитные аноды твердооксидных топливных элементов, поверхностные микросплавы на конструкционных и функциональных материалах. Ученым удалось определить структурно-фазовые характеристики, жаростойкость и термостойкость синтезированных структур в процессе высокотемпературного нагрева (до 1500 ºС).
Кроме этого, сотрудники лаборатории компонентов и систем для синхротронных исследований НИЦ ТЦК участвуют в создании позиционно-чувствительного детектора для будущих станций строящихся источников синхротронного излучения в России, необходимого для регистрации синхротронного излучения.
За четыре года на базе ТГУ, ТПУ и ТУСУРа при участии центра прошли обучение более 250 человек, были реализованы программы как профессиональной переподготовки, так и повышения квалификации, включающие курсы по генерации синхротронного излучения, методам пучково-плазменной инженерии поверхности и материаловедению.
На этом работа НИЦ ТЦК не оканчивается. Федеральная научно-техническая программа по развитию синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры продлена до 2030 года, и томские ученые вновь планируют участвовать в конкурсе на получение финансирования.
Синхротронное и нейтронное излучение являются наиболее эффективным инструментом изучения широкого класса объектов – от поверхностей и объемных материалов до жидких и биологических сред – на наноразмерном и меньшем уровнях. В отличие от традиционных способов исследований, такие излучения, обладая высокой интенсивностью, позволяют получить информацию за время менее секунды в процессе роста покрытия или модификации поверхности импульсными потоками энергии (так называемый режим in situ), что дает возможность наблюдать процессы синтеза материалов и биологических объектов на новом уровне. С применением синхротронного и нейтронного излучений связывают будущие прорывы в целом ряде областей науки и технологий.