Когда весной 2022 года у российских производителей медицинской техники и систем безопасности резко отключили поставки готовых детекторов рентгена, многие запаниковали. Оказалось, что раньше мы закупали эти сложные сенсоры в Европе и США. Но в Томске, как это часто бывает, не стали ждать манны небесной, а вспомнили, что сами умеем делать то же самое, и даже лучше. Томский государственный университет вместе с московским НИЦ «Курчатовский институт» — НИИСИ уже несколько лет потихоньку разрабатывал свои детекторы на чистых российских компонентах. И вот недавно они объявили: первые модули собраны, протестированы и готовы к следующему этапу. По сути, это маленькая, но очень важная победа в большой войне за технологическую независимость.
«Свои» сенсоры: почему арсенид галлия оказался лучше импорта
Если вы когда-нибудь задумывались, что внутри томографа или маммографа видит «картинку», то ответ прост: специальная матрица из полупроводника. Она ловит рентгеновские лучи, прошедшие сквозь тело человека или грузовой контейнер, и превращает их в электрические сигналы. Долгие годы лучшим материалом для этого считался арсенид галлия, выращенный во Франции или Германии. Но теперь томские физики говорят: «А мы можем из своего». Руководитель проекта Антон Тяжев из ТГУ прямо заявил, что от промышленности поступает четкий запрос на устройства, изготовленные из российских компонентов. И университет на этот запрос ответил. Они взялись за самое сложное — сенсоры на основе арсенида галлия, компенсированного хромом. А коллеги из НИИСИ в Москве спроектировали для них многоканальную считывающую электронику — чипы, которые собирают сигнал с тысяч крошечных пикселей.
Профессор Олег Толбанов, директор Центра перспективных технологий в микроэлектронике ТГУ, как-то обмолвился в интервью, что их лаборатория больше десяти лет поставляет детекторы в ЦЕРН — тот самый Большой адронный коллайдер. И те работают до сих пор. Более того, до 2022 года у них были заказы из США, Японии и Европы для местных синхротронов. Одна только продажа лицензий в 2017 году принесла 2,5 миллиона швейцарских франков. Но когда западные партнёры разорвали отношения, томские учёные не стали плакать. Они просто переключились на российский рынок, благо опыт и технологии уже были. «Мы решили задачу формирования полного пакета программно-методической документации и обеспечения воспроизводимости результатов», — подчеркнул Толбанов. На человеческом языке это значит: они теперь могут делать абсолютно одинаковые качественные сенсоры пачками, а не поштучно в лаборатории.
При этом учёные пошли умным путём. Вместо того чтобы сразу строить огромный завод, они разработали два типа детекторов — матричные и микрополосковые. Это как сделать два прототипа нового автомобиля: один для гонок, другой для бездорожья, а потом выбрать лучшие узлы. Первые макетные образцы уже собрали и испытали. Как рассказал Максим Скакунов, руководитель конструкторского бюро центра ТГУ, сейчас идёт работа над второй генерацией чипов. «Уже проработаны и исправлены недочёты, которые возникли на первом этапе работы с макетными образцами», — отметил он. Представьте себе: инженеры сидят с лупой, изучают платы, находят какую-то микроскопическую помеху или лишний шум — и переделывают схему. Это нормальный, хотя и нудный процесс, без которого нельзя запустить серийное производство.
От лабораторного макета до готового модуля: что происходит прямо сейчас
Захожу в мыслях в эту томскую лабораторию. Там, скорее всего, пахнет припоем и озонированным воздухом от чистящих средств. На столах — платы, покрытые дорожками из медной фольги, рядом — коробочки с хрупкими сенсорами, которые боятся даже микроскопической пылинки. Сборка модуля требует почти стерильной чистоты: любая соринка на поверхности арсенида галлия может испортить сигнал. И вот этот кропотливый труд дал результат. «Первые модули уже собраны и протестированы», — подтвердил Максим Скакунов. По его словам, экспериментальный образец — это обязательный этап создания полноформатного детекторного модуля. То есть сейчас они имеют рабочий, но ещё не окончательный вариант. Дальше — больше.
Удивительно, но в проекте задействованы специалисты из разных городов. Томичи делают сенсоры и собирают модули, их соседи из томского Академгородка проектируют плату детектора и специальный адаптер, а москвичи из НИИСИ разрабатывают интерфейсную плату. Это такая распределённая фабрика. Руководитель конструкторского бюро Скакунов говорит, что в команду входят и разработчики программной архитектуры чипа, и инженеры по проектированию электронных плат, и программисты, и тестировщики. При этом одна из главных проблем, которую решили учёные, — это технология компенсации арсенида галлия хромом. Если говорить просто, они научились добавлять в полупроводник ровно столько хрома, сколько нужно, чтобы материал получился однородным и не поляризовался со временем. Поляризация — это бич многих детекторов: после нескольких часов работы они начинают «уставать» и врать. Томские сенсоры, судя по тестам, такой болезни лишены.
Заместитель директора Курчатовского института Сергей Аряшев уже официально заявил, что институт заинтересован в дальнейших совместных проектах. Это не просто вежливость. Курчатовский институт — головная организация по многим атомным и медицинским технологиям в стране. Если они говорят «да», значит, разработка действительно качественная. И тут важно понимать масштаб: новые детекторы нужны не только для больниц. Их можно ставить на атомные электростанции — контролировать утечки, на промышленные конвейеры — искать трещины в лопатках турбин, и даже в сканеры в аэропортах для досмотра багажа.
Где пригодятся томские детекторы: от больничных маммографов до гигантского СКИФа
Самое интересное начинается, когда спрашиваешь: «А где это всё применят уже в ближайшие пару лет?» Первый и самый очевидный заказчик — строящийся под Новосибирском синхротрон нового поколения СКИФ. Это здание размером с несколько футбольных полей, внутри которого электроны разгоняются почти до скорости света и испускают сверхъяркое рентгеновское излучение. Учёные со всей страны будут приезжать туда, чтобы просвечивать образцы материалов и видеть отдельные атомы. Для такого монстра нужны и монструозные детекторы. И здесь томский арсенид галлия, компенсированный хромом, оказался как нельзя кстати. Олег Толбанов подтвердил, что разработанные для СКИФа структуры прошли все испытания и соответствуют требованиям Минпромторга. Более того, по характеристикам они не уступают тем, что раньше делались из импортного сырья.
Но кроме гигантских научных установок, есть и бытовые, жизненные вещи. Например, маммографы. Женщины знают, как неприятно проходить это обследование, но оно спасает жизни. Качество снимка напрямую зависит от чувствительности детектора. Томские сенсоры, благодаря своей однородности, могут давать более чёткую картинку при меньшей дозе облучения. То есть процедура становится безопаснее. Или возьмём томографы для диагностики рака и травм. Сейчас многие российские клиники пользуются старыми аппаратами, где детекторы уже выработали ресурс, а новые не купить из-за санкций. Томская разработка — это шанс не просто заместить, а обновить парк оборудования.
Не забыли учёные и про системы безопасности на границе и транспорте. Инспекционно-досмотровые комплексы на таможне просвечивают фуры и контейнеры в поисках оружия или контрабанды. Чувствительность детектора напрямую влияет на то, увидят ли операторы подозрительную плотность внутри груза. «Разработанный материал обеспечивает максимальную устойчивость к радиации», — отмечают в ТГУ. Это свойство критично для атомной энергетики и космоса. Представьте себе спутник, который годами летает в радиационных поясах Земли: обычная электроника там быстро деградирует, а арсенид галлия с хромом — нет. Так что, возможно, эти детекторы полетят и в космос. Ирония судьбы: когда-то Томск делал их для западных синхротронов, а теперь они станут основой для российской науки и медицины. И это, пожалуй, самый правильный путь для любой технологии.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
