Директор ИРЭ РАН Сергей Никитов:
"В первую очередь мы создаем новые знания, а на их основе – новые приборы"

В Институте радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН (ИРЭ РАН) впервые в мире создан датчик, способный работать внутри атомного реактора. Одна только эта разработка позволит сэкономить стране до 38 млрд рублей. Об этом и других исследованиях института рассказывает директор ИРЭ РАН, член-корреспондент РАН Сергей Никитов.

Сергей Аполлонович, расскажите о специфике института и о задачах, которые он решает.

Институт радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН был создан в 1953 году. Необходимость его создания в те годы была обусловлена научно-техническими проблемами создания ракетно-ядерного щита нашей страны. Для решения этой задачи необходимо было развивать средства радиолокации, а для нее нужна была соответствующая электроника.

Именно исследования в области радиолокации, в том числе с использованием воздушных и космических средств, стали одним из главных направлений деятельности ИРЭ РАН. Причем, наше оборудование использовалось и для зондирования дальнего космоса. В нашем институте под руководством академика Владимира Александровича Котельникова, имя которого ИРЭ РАН сейчас носит, родилось такое направление, как планетная радиолокация. Эти исследования привели к уточнению масштаба Солнечной системы более чем в 100 раз, что имело исключительно важное значение для управления межпланетными перелетами. За эту работу в 1964 году академику Котельникову совместно с группой руководимых им сотрудников была присуждена Ленинская премия. Эти работы активно продолжались и далее. По многим вопросам они позволили обойти американцев в исследовании планет Солнечной системы автоматическими станциями. Выдающийся результат мирового значения был получен в 1984 году, когда с помощью аппаратов «Венера-15» и «Венера-16» была впервые получена радиолокационная карта Венеры на площади 115 млн кв. км с пространственным разрешением порядка 1 км.

Разумеется, эти исследования продолжают развиваться в институте и сейчас, в том числе и в части дистанционного зондирования Земли из космоса средствами радиолокации. Во Фрязинском филиале ИРЭ РАН находится центр обработки и хранения космической информации радиолокационного характера, где за многие годы собрана огромная база данных, полученных со спутников различного назначения. А в проекте уникальной космической обсерватории «Миллиметрон» мы работаем с коллегами из Астрофизического центра ФИАНа над созданием детектора терагерцового излучения. Но наш институт академический, он создает не только приборы, но и знания. И хотя институт и сегодня носит название радиотехники и электроники, но это уже скорее дань традиции. Наши работы имеют сейчас куда больший охват. Традиция сохраняется в том, что эти исследования по-прежнему дают практически значимый результат.

В каких областях институт создает знания сегодня?

Во многом новые направления родились из традиционных. Например, при выполнении работ в области радиолокации фактически речь идет об исследовании физики отражения и распространения электромагнитных волн. Эти работы привели к развитию важного направления – исследование распространения волн различного типа в разных средах. Это не только электромагнитные волны, но и волны разной физической природы: оптические, спиновые магнитные, акустические волны, так что от исследования распространения радиоволн в атмосфере или в космосе мы плавно перешли к исследованию волн в твердом теле.

К примеру, новейшая наша разработка – это наноплазмоника на оптоволокне. Если покрыть, скажем, золотом оптическое волокно с определенной обработкой, то на поверхности такого покрытия возникают так называемые плазмоны – поверхностные электромагнитные волны. Это позволило использовать такие гетероструктуры для создания датчиков различных физических величин с рекордными характеристиками.

А на другом «полюсе» диапазона волн, которые мы изучаем, – акустоэлектроника. Сегодня для нас это одно из приоритетных направлений, в первую очередь в области создания фильтров, резонаторов и других устройств на поверхностных акустических волнах. Одним из создателей современной акустоэлектроники является научный руководитель нашего Института академик Юрий Васильевич Гуляев. Поверхностные акустические волны могут распространяться в твердотельных структурах, которые довольно просто изготовлять. Их частоты – это десятки и сотни мегагерц или единицы гигагерц. У нас в институте впервые в мире получен результат по генерации и приему поверхностных акустических волн с частотой 6,45 ГГц.

А какой практический смысл в этом рекорде?

Чтобы очистить от помех сигнал на определенной частоте, нужны фильтры. Электрический ток преобразуется в поверхностные акустические волны, они фильтруются на нужной частоте, и далее акустический сигнал вновь преобразуется в электрический. Любой мобильный телефон содержит порядка десятка таких фильтров. Рынок устройств такого типа – это десятки миллиардов долларов.

Когда мы говорим, что у нас работают системы мобильной связи 4G, то это соответствует частоте радиоволн 2,45 ГГц. Но когда речь идет о том, что нужно переходить на более высокие частоты в системах 5G и выше, то потребуются частоты порядка десятков ГГц. Вот над этим мы и работаем. 6,45 ГГц уже достигли.

Есть ли еще какие-то сферы применения у таких технологий, кроме мобильных телефонов?

Поверхностные акустические волны очень чувствительны к свойствам среды, контактирующей с поверхностью твердого тела, по которой они распространяются. Малейшие изменения состава этой среды – газа или жидкости – вызывают изменение спектра акустических волн, то есть они могут служить датчиками состава газа или жидкости, причем такие датчики могут улавливать изменения на уровне фиксации считанного количества отдельных молекул какого-либо вещества.

Какие еще направления фундаментальных исследований ИРЭ РАН приводят к столь же интересным практическим результатам?

Одно из таких направлений – это исследование эффектов, связанных с памятью формы. Есть интересные материалы, они называются сплавами Гейслера. Они «запоминают» форму, которой обладали в сильном магнитном поле. Изделие из этого материала потом можно изогнуть любым образом, но стоит внести его в магнитное поле, как оно вновь принимает первоначальную форму. У нас созданы нанопинцеты, в которых используется это свойство: это две пластинки, которые в магнитном поле могут захватывать за счет изменения формы отдельные элементы размером в десятки нанометров. Например, несколько листов графена.

На этой установке в ИРЭ РАН исследуется эффект памяти формы. Сама установка представляет собой криостат, внутри которого сверхпроводящий магнит создает магнитное поле в 10 тесла. Для сравнения: магнитное поле Земли имеет интенсивность порядка 0,5 гаусса, а тесла – это 10 000 гауссов. Таким образом, установка создает в 20 тыс. раз более сильное магнитное поле.

Не могу не задать вам один вопрос: известно, что в ИРЭ РАН в советское время исследовали экстрасенсов, например знаменитую Джуну. Каков был результат этих исследований?

Технологии радиолокации предполагают умение принимать очень слабые сигналы, поэтому, когда в конце 1970-х годов возникла задача исследования феномена Джуны и других людей с так называемыми экстрасенсорными способностями, то в институте была создана лаборатория, а потом – Центр исследования физических полей биологических объектов. Руководителем и идейным вдохновителем этих работ стал академик Юрий Васильевич Гуляев. Поэтому более подробно об этом направлении исследований, конечно, лучше поговорить с ним. Я думаю, получится очень интересное интервью. Но если коротко, то выяснилось, что Джуна могла концентрировать тепло в ладонях. Каждый из нас это может сделать после некоторых тренировок. У нее температура в ладонях была повышена, поэтому, когда она делала пассы над человеком, она фактически проводила воздушный тепловой массаж. В этом эффекте нет ничего сверхъестественного.

Но исследовали не только Джуну. Была еще Нинель Кулагина и другие «экстрасенсы». Кулагина, например, умела притягивать и отталкивать мелкие предметы. Легонькие предметы, конечно, вроде кусочков бумаги, но она их явно двигала, и это было четко видно. Фактически оказалось, что это электростатика. Кулагина физически напрягалась, и у нее руки не просто потели, а буквально источали невидимые глазу микрокапельки пота. Они сообщали электрический заряд предмету, и он начинал двигаться, как двигается наэлектризованный кусочек бумаги от пластмассовой ручки, если ее потереть.

Какую-то пользу эти исследования принесли?

В результате этих исследований была создана карта физических полей человека. Во-первых, это инфракрасное излучение, то есть тепло. Тело человека среднего сложения излучает столько же тепла, сколько 100-ватная лампа накаливания. Причем отдельные части тела излучают по-разному. В подмышке температура выше, в ладонях – ниже, и она зависит от состояния человека.

В результате на основе наших технологий был создан термограф с чувствительностью в одну сотую градуса и разрешением 0,25 мм². Причем такие термографы используются не только для исследования температуры человеческого тела, но и вообще удаленных объектов. В частности, когда горела Останкинская башня, то пожар шел внутри, снаружи огня не было видно. Три именно таких прибора поставили в трех точках – и можно было точно определить, куда надо было лить воду, чтобы потушить пожар.

Какие еще физические поля обнаружились у человеческого тела?

Инфракрасное излучение – это длины волн, которые, как правило, определяют примерно от 0,8 мкм вплоть до субтерагерцового диапазона – до 1 мм, но, кроме того, от человека исходит слабое микроволновое излучение – это длины волн от миллиметра до примерно 30 сантиметров. Сигнал более слабый, но, тем не менее, он тоже может быть измерен. Инфракрасное излучение идет с поверхности кожи, а с помощью микроволнового излучения можно «заглянуть» вглубь живых тканей.

Есть еще акустические поля – у нас работают желудок и кишечник, сердце стучит, кровь течет – все это порождает акустические колебания. Фиксируя их, фактически можно проводить своего рода «пассивное УЗИ».

Далее – хемилюминесценция. Мы потеем, дышим, у нас есть какие-то запахи, у разных объектов по-разному происходит испарение. У каждого человека все это сугубо индивидуально, фактически как отпечатки пальцев. Эти химические элементы тоже могут быть исследованы и много рассказать о состоянии организма.

Магнитокардиография – своего рода более высокая ступень всем известной электрокардиографии. Электрокардиография измеряет электрическое поле, которое возникает при сокращении сердечной мышцы. Но у нас и кожа, и мышцы, и кровь проводят электричество. Когда движется кровь, по сути, это поток заряженных частиц. А поток заряженных частиц создает вокруг себя электромагнитное поле, которое искажает данные электрокардиографии. В случае электрокардиографии мы измеряем электрическую часть электромагнитного поля, но там есть и магнитная часть. Она очень слабенькая и усиливается лишь вблизи отдельных элементов сердца и мозга. Но если научиться измерять магнитную составляющую, то сигнал будет гораздо более правильным, потому что в обычном человеческом теле нет ничего металлического, что искажало бы магнитное поле.

Но есть проблема. Мы все находимся в магнитном поле Земли, а магнитное поле, которое исходит от сердца либо коры головного мозга, на много порядков слабее. Чтобы исключить из результатов измерений магнитное поле Земли, человека можно поместить в так называемую клетку Фарадея, но это, во-первых, не очень удобно, а, во-вторых, такие клетки не везде есть. А у нас в институте придумали измерять вторую производную величины магнитного поля. Мы пользуемся тем обстоятельством, что магнитное поле человека меняется, а магнитное поле Земли практически постоянно. Вторая производная – это не просто скорость изменения, а скорость изменения ускорения, то есть тем самым мы отбрасываем все постоянные магнитные поля. Благодаря этому мы фактически измеряем сигнал от коры головного мозга величиной 10^-14 тесла. Эта величина соответствует «перескоку» мысли при выполнении арифметической операции. Магнитокардиографы, которые используют нашу технологию, уже есть в больницах Москвы.

Еще пример – импедансная компьютерная томография, в частности, маммография. Традиционная маммография – это рентгеновский метод исследования молочных желез. Сама по себе она не очень полезна. Электроимпедансная маммография – безлучевой метод диагностики, который по информативности равен «рентгену». Это прибор, который, представляет из себя 256 металлических штырей, которые прикладываются к объекту – к женской груди, например – и измеряют электростатику. Потом проводят довольно сложную математическую обработку полученных сигналов. Этими работами руководит член-корреспондент РАН Владимир Алексеевич Черепенин.

Кроме медицины, где еще находят применения разработки ИРЭ?

В начале 1970-х годов Владимир Александрович Котельников вместе с одной из делегаций побывал в США и привез оттуда образцы оптоволокна, которого у нас тогда не было. В ИРЭ РАН организовали соответствующий отдел. Конечно, волокном начали заниматься и в ФИАНе, и в ИОФАНе, но у нас это направление развивалось по-своему. Там его исследовали с точки зрения физических процессов, а у нас – с практической направленностью. В результате нам удалось достичь в этой области целого ряда прорывных результатов мирового уровня. Это создание уникальных фотонно-кристаллических волокон, имеющих в своей структуре продольные микроскопические отверстия с толщиной стенок в десятые доли микрон. Это волокна с высокой радиационной стойкостью, применяемые в атомной промышленности, аэрокосмической навигации, в военной сфере. Значимые результаты были получены и в области создания так называемых активных волокон, использующихся в волоконных лазерах и усилителях.

Кроме того, большую роль играют специальные покрытия волоконных световодов, в том числе и на основе сплавов металлов, что позволяет использовать их при температурах до 600 °С и более. Они полностью разрабатываются в нашем институте. Это уникальная разработка. Наши коллеги лет 10 назад привезли из Англии кусок оптоволокна и сказали: «Видите, какое в Англии волокно разработано с покрытием?». А это оказалось наше волокно, которое мы в Англию и передали в рамках совместных исследований. Такое волокно применяется, например, для контроля параметров глубоких нефтяных скважин, где рабочие температуры могут достигать нескольких сотен градусов. Такие датчики необходимы и для контроля работы скважинных насосов и парогазогенераторов. Все это в условиях технологических ограничений, введенных по отношению к нефтедобывающей отрасли западными странами, существенно повышает актуальность проводимых исследований. Но применение таких волокон не ограничивается лишь нефтедобывающей отраслью. Это и электроэнергетика, и атомная промышленность, и машиностроение и многие другие отрасли.

Более того, научный задел и технологическая база позволяют нам создавать новые, уникальные устройства и приборы на основе волоко�