Специалистами из НИЯУ МИФИ и НИЦ «Курчатовский институт» создана установка атомной томографии под названием «АтоТом», предназначенная для изучения структуры веществ на атомном уровне, с возможностью идентификации химического состава регистрируемых атомов.
Принцип действия прибора заключается в следующем: в него загружают небольшой образец материала, представляющий собой, по сути, нить диаметром 0,3–0,4 миллиметра и длиной 15–20 миллиметров. Затем с использованием лазерных импульсов происходит испарение образца небольшими наноскопическими порциями, содержащими всего один или два атома. Параллельно химический состав высвобождаемых атомов устанавливается с помощью масс-спектрометрического анализа. В процессе исследования образец поддерживается в вакууме и охлаждается до температуры около 20 Кельвинов, что соответствует минус 250 градусам Цельсия).
Обработка полученных данных осуществляется с помощью компьютера, что позволяет создать трехмерную карту расположения атомов в анализируемом образце. Составление такой карты может потребовать определения координат до нескольких сотен миллионов атомов, а также выявления характеристик большого количества нанообъектов, поэтому обработка информации выполняется на высокопроизводительных машинах, оснащенных графическими процессорами.
«Известно, что характеристики материала зависят не столько от его химического состава, сколько от его структуры. И в последние десятилетия ученые выяснили, что именно наноструктура, а не структура в целом, оказывает определяющее влияние на свойства современных материалов», – отмечает Сергей Рогожкин — профессор, занимающий должность в кафедре физики экстремальных состояний вещества .
По мнению специалиста, такие исследования приобретают особую значимость для материалов, содержащих химически сложные соединения, насчитывающие от десяти до двадцати компонентов. В таких случаях даже незначительные примеси могут существенно влиять на характеристики композиционных материалов или сплавов.
Установка, прошедшая разработку, готова к предоставлению услуг промышленным партнерам в области исследования материалов, и в будущем возможен переход к серийному выпуску таких устройств.
На данный момент единственным производителем таких устройств на мировом рынке является американская компания. В сложившейся геополитической обстановке не только прекратились поставки оборудования в Россию, но и стало невозможно осуществлять техническое сопровождение ранее приобретенных приборов.
«АтоТом» не проигрывает зарубежным аналогам по качеству, однако обладает двумя существенными преимуществами: в первую очередь, планируется, что серийные образцы будут стоить как минимум вдвое меньше, а во-вторых, в МИФИ готовы к разработке устройств с учетом специфических требований клиентов, например, с увеличенной чувствительностью к определенным показателям, в то время как зарубежные производители предлагают только стандартные решения. В результате, в будущем российский прибор может вызвать интерес и на международном рынке.
По словам Сергея Рогожкина, первоначальный проект установки был разработан еще в конце 2021 года. Впоследствии, из-за введенных международных санкций, потребовалось несколько лет для полной замены импортных компонентов. В результате, созданное устройство полностью отвечает требованиям импортозамещения. «Задача по совершенствованию или разработке элементов устройства была решена с использованием собственной производственной базы. Ключевым элементом стал высокоскоростной детектор, разработанный нами с нуля из российских комплектующих, что позволило создать полностью отечественную систему. Сейчас мы можем использовать многие компоненты разных производителей, и это не ограничивает нас в скорости создания прибора», – подчеркивает Сергей Рогожкин. Разработчики также сами создали и запатентовали программное обеспечения как для управления прибором, так и для математической обработки полученных данных.
Ведущие научно-исследовательские центры, входящие в структуру Госкорпорации «Росатом», и крупные металлургические предприятия, а также другие промышленные организации, нуждаются в оборудовании для атомно-зондовой томографии. В частности, «Росатом» использует такие исследования для оценки влияния радиационного воздействия на компоненты ядерных реакторов.