ОИЯИ создает уникальную инфраструктуру для прикладных исследований с использованием пучков тяжелых ионов на ускорительном комплексе NICA. О текущем состоянии дел по этому направлению рассказал представитель Отделения научно-методических исследований и инноваций Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ Олег Белов.

Проект класса мегасайенс «Комплекс NICA» помимо задач фундаментальной физики предусматривает работу специализированных каналов транспортировки пучков заряженных частиц для прикладных работ. Сюда входят науки о жизни, радиационное материаловедение, тестирование электроники на радиационную стойкость и развитие передовых технологий ядерной энергетики. На текущий момент коллектив ученых, инженеров и специалистов из целого ряда научных и научно-технологических организаций стран-участниц ОИЯИ осуществляет разработку и монтаж необходимых экспериментальных зон, оборудованных облучательными стациями для работы с образцами различных типов. Эта инфраструктура в 2021 году получила название ARIADNA (Applied Research Infrastructure for Advanced Developments at NICA fAcility).

Проект реализуется в несколько этапов. Первый из них — создание станции СОЧИ (Станция облучения чипов) для облучения декапсулированных микросхем, то есть микросхем со вскрытым корпусом, пучками ионов с энергией 3,2 МэВ/нуклон. В декабре 2021 года был осуществлен физический пуск станции с пучком ионов углерода. Эта станция позволит тестировать электронику для дальних полетов в космос, изучая при этом не только функциональные изменения, но и структурные повреждения полупроводниковых материалов. Такие исследования позволят получить новые сведения о природе возникновения функциональных отказов микроэлектроники при воздействии тяжелых ионов и способствовать разработке инновационных решений для повышения радиационной стойкости компонентной базы. На данный момент проблема разрушительного воздействия тяжелых ионов в составе космической радиации является одним из ключевых препятствий для осуществления дальних космических миссий, причем не только пилотируемых, которые связаны с опасностью облучения экипажей космических кораблей, но и автоматизированных, где воздействию подвергается микропроцессорная техника. Также станция СОЧИ может быть использована для задач радиационного материаловедения, подразумевающих использование пучков заряженных частиц относительно низких энергий. Здесь перспективным направлением могут стать новые разработки в области ионной имплантации на тонких структурах — весьма востребованной технологии для создания композиционных материалов с уникальными структурами и свойствами. Такие материалы в последние годы находят все более широкое применение в различных отраслях науки и техники, в частности, при разработке и изготовлении полупроводниковых приборов.

Следующие этапы включают введение в строй трех других облучательных станций. Станция ИСКРА (Испытательная станция компонентов радиоэлектронной аппаратуры) также будет предназначена для определения радиационной стойкости компонентной базы и работ в области радиационного материаловедения, но позволит изучать наблюдаемые эффекты в диапазоне энергий ионов от 150 до 500 МэВ/нуклон, что дает возможность моделировать воздействие отдельных компонентов космической радиации на интегральные микросхемы. На станции СИМБО (Станция для исследования медико-биологических объектов) будут вестись работы в области наук о жизни с использованием ускоренных ионов с энергиями порядка 500–1000 МэВ/нуклон. Установка, оборудованная климатической камерой и набором специализированных фиксаторов для манипуляций с различными образцами, предоставляет широкие возможности для целого ряда научно-практических задач в области современных биомедицинских технологий. Станция СИЯЭ (Станция для исследований по ядерной энергетике) поможет в решении актуальных вопросов ядерных технологий, связанных с производством энергии и утилизацией ядерных отходов, где находят применение высокоэнергичные (до 4 ГэВ/нуклон) пучки легких ионов.

Параллельно с этим в целях расширения спектра прикладных исследований на комплексе NICA и проработки научной программы осуществляется формирование научных коллабораций вокруг создаваемой исследовательской инфраструктуры. Заинтересованные организации сформировали три коллаборации: ARIADNA-LS — по прикладным исследованиям в области наук о жизни, ARIADNA-MSTE — по радиационному материаловедению и тестированию электроники и ARIADNA-NPT — по развитию передовых технологий для задач ядерной энергетики. Уже идут активные обсуждения, был организован целый ряд научных конференций, семинаров, совещаний и рабочих встреч. Как результат были разработаны уставные документы коллабораций и утверждены исполняющие обязанности руководителей коллабораций. Ими стали: заместитель начальника Отделения научно-методических исследований и инноваций ЛФВЭ О. В. Белов (по коллаборации ARIADNA-LS), начальник Сектора высокотемпературных сверхпроводящих магнитов Ускорительного отделения ЛФВЭ М. С. Новиков (по коллаборации ARIADNA-MSTE) и начальник Отделения научно-методических исследований и инноваций ЛФВЭ С. И. Тютюнников (по коллаборации ARIADNA-NPT).

«Уже сейчас очевидно, что участники от сотрудничающих организаций взяли высокий темп и переходят от стадии планирования исследований в стадию реализации подготовительных экспериментов в своих институтах. Плотное рабочее взаимодействие и тесная кооперация на текущем этапе имеют ключевое значение для последующего выполнения целых серий экспериментов на пучках комплекса NICA», — прокомментировал текущей этап работ вокруг инфраструктуры ARIADNA Олег Белов. Он отметил, что кооперация в обозначенных на сегодняшний день направлениях обещает быть весьма глубокой. Даже на текущем этапе, до полномасштабного запуска всех облучательных станций, организации выражают самые серьезные намерения участвовать вплоть до создания в Дубне своих филиалов, целевым образом ориентированных на исследования с использованием пучков комплекса NICA.

«Совместно с некоторыми организациями мы заранее прорабатываем возможности привлечения индустриальных партнеров, которым будут интересны наши результаты и разработки. При этом, конечно же, будет постепенно выстраиваться и наша политика в области интеллектуальной собственности», — отметил Олег Белов. В этом для деятельности вокруг ARIADNA активным подспорьем стала недавно сформированная Группа инноваций в Отделе инноваций и интеллектуальной собственности ОИЯИ.

Заинтересованные партнеры проекта вносят весомый научный вклад в формирование пакета предложений по исследованиям на каналах ARIADNA. «Здесь и широкий круг работ по радиационной биофизике, и разработки в направлении космической и авиакосмической медицины, где у нас участвуют профильные организации России, официально уполномоченные вести такие исследования, – рассказывает Олег Белов. – Непреходящими для нас являются задачи радиационной медицины, поскольку комплекс NICA предоставляет уникальные возможности для отработки перспективных методик планирования облучения в задачах ионной терапии, а также для разработки инновационных подходов к лечению ряда опухолевых заболеваний. Нельзя не подчеркнуть новые разработки в области создания высокотемпературных сверхпроводящих кабелей и связанные задачи радиационной стойкости материалов, которые комплексно реализуются сотрудниками ЛФВЭ в тесном сотрудничестве с участниками коллаборации ARIADNA-MSTE. Также мощным импульсом к развитию прикладных исследований на комплексе NICA обещают стать наработки по ADS-системам, представляющих собой управляемые сильноточными ускорителями подкритические сборки. В настоящее время такие установки рассматриваются в качестве перспективных способов трансмутации отработанного ядерного топлива и производства энергии».

Ситуация с формированием научной программы всех трех коллабораций ARIADNA развивается динамично. Эта публикация открывает цикл сообщений о научной инфраструктуре для прикладных исследований на комплексе NICA, ключевых событиях и перспективных задачах, реализуемых в этом направлении.