Группой ученых НИЯУ МИФИ и НИЦ «Курчатовский институт» разработан атомный томограф «АтоТом» для исследования структуры материалов на атомном уровне с определением химической природы регистрируемых атомов.
Прибор работает примерно так: в него помещают небольшой образец материала – по сути «волосок» диаметром 0,3-0,4 миллиметра и длиной 15-20 миллиметров – после чего с помощью лазерных импульсов образец начинают испарять наноскопическими порциями – в каждую испаряемую порцию умещается буквально один-два атома. Одновременно химический состав испаренных атомов определяется методами масс-спектроскопии. Во время анализа образец находится в вакууме и в охлажденном состоянии примерно до 20 Кельвинов (то есть минус 250 градусов по Цельсию).
Полученные данные обрабатываются на компьютере – и в результате получается трёхмерная карта расположения атомов в исследуемом образце. Поскольку для составления подобной карты может потребоваться определить местоположение до нескольких сотен миллионов атомов, а также выявить свойства множества наноразмерных объектов, обработка данных происходит на мощных компьютерах с графическим процессором.
«Люди давно поняли, что свойство материала определяются не столько его составом, сколько структурой. А в последние десятилетия установлено, что не просто структура, но именно наноструктура определяет свойства современных материалов», - отмечает Сергей Рогожкин, профессор кафедры физики экстремальных состояний вещества.
По словам эксперта, подобные исследования особенно важны для материалов химически сложного состава, в котором может быть 10−20 компонентов, и в котором большое влияние на конечные свойства композита или сплава оказывают количественно ничтожные примеси.
Разработанная установка уже готова для оказания услуг индустриальным партнерам по исследованию материалов, а в перспективе вопрос может стать о серийном производстве подобных приборов.
В настоящее время подобные устройства в мире производит только одна американская компания AMETEK (CAMECA), однако в нынешней геополитической ситуации прекращены не только поставки приборов в Россию, но и техническое обслуживание ранее закупленных устройств.
«АТОТОМ» не уступает зарубежным аналогам по качеству, но имеет два преимущества: во-первых, его серийные образцы обещают быть по меньшей мере в два раза дешевле, а во-вторых, в МИФИ готовы разрабатывать устройства с особенностями, соответствующими особым потребностям заказчиков (например, с повышенной чувствительностью к некоторым параметрам), в то время как зарубежный производитель предлагает только типовые изделия. Таким образом, в перспективе российским прибором могут заинтересоваться и на зарубежном рынке.
Сергей Рогожкин отмечает, что первый вариант установки был готов еще в конце 2021 года, однако после введения международных санкций разработчикам пришлось потратить еще несколько лет чтобы полностью заменить импортные комплектующие. Таким образом, получившийся прибор полностью соответствует принципам импортозамещения.
«Мы решили задачу по доработке или созданию компонентов устройства на собственной приборной базе. Одна из ключевых вещей — быстродействующий детектор, мы его создали с нуля на российских компонентах, и сейчас это полностью российская система. 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.
В установках для атомно-зондовой томографии нуждаются ведущие материаловедческие центры Госкорпорации «Росатом», а также крупные металлургические и другие промышленные компании. В частности, «Росатому» подобные исследования требуются для определения степени радиационного повреждения деталей ядерных реакторов.