Сорок из Семидесяти: НИЛ Квантовой магнитометрии
70 лет Физтеха и почти 40 лет лаборатории Квантовой магнитометрии, которая была открыта по постановлению Совета Министров СССР от 29 июня 1979 года. Отраслевая лаборатория министерства геологии — а тогда все министерства были немного и от министерства обороны — была нацелена на создание квантовых магнитометров, основанных на принципах магнитного резонанса – оптическая ориентации атомов и динамическая поляризация ядер, где имелся значительный фундаментальный задел на кафедре теоретической физики Физико-технического факультета УПИ. Именно теоретической физики, как это ни странно для прикладной отраслевой лаборатории: Нет ничего практичнее хорошей теории. Поиск сокрытых объектов и месторождений полезных ископаемых — вот для чего предназначены такие магнитометры, способные к прецизионным измерениям модуля геомагнитного поля до тысячных и даже миллионных долей процентов.
В настоящее время лаборатория квантовой магнитометрии является хозрасчётной научно-производственной лабораторией при кафедре Теоретической физики и прикладной математики и термин «прикладной» является ключевым, но самым ключевым является «хозрасчёт». «Магнитометры используем «на полную катушку», благодаря вашим усилиям они безотказны в работе, и позволяют развивать прекрасную производительность при отличном качестве измерений. Всё это позволяет вносить весомый вклад в общую геологическую результативность. Наш итог за пять с половиной лет работы — 12 открытых и поставленных на баланс месторождений меди, золота, молибдена, сурьмы, серебра, железа. В этом есть и ваш вклад!»- так охарактеризовал оверхаузеровский магнитометр MMPOS (один из продуктов лаборатории) главный геофизик «Востокгеология» А.Б. Карманов.
Глядя на канадских коллег и соседей по институту, мы научились производить реальные приборы конкурентоспособного качества. Производить приборы не так сложно — важно не бояться трудностей и любить покупателей. Научное приборостроение — высокодоходная область, где главной составляющей успеха является интеллект и его носители.
40 лет лаборатории – это несколько поколений инженеров, научных сотрудников и преподавателей, берущих своё начало от основателя лаборатории, заведующего кафедрой теоретической физики Чиркова А.К. и первого зав. лабораторией Соболева А.С., которые организовали её эффективную работу. Отдельного упоминания заслуживает самоотверженный труд ключевых научных сотрудников и ведущих разработчиков, аккумулировавших опыт предыдущих договорных работ по освоению принципов работы и фундаментальных технических решений для противолодочной обороны.
В начальный период ОНИЛ КМ совместно с НПО «Рудгеофизика» были разработаны геологоразведочный аэромагнитометр ММВ-215, ставший лауреатом ВДНХ (выставка достижений народного хозяйства СССР), а также самый массовый в СССР пешеходный протонный оверхаузеровский магнитометр ММП-203у (выпущено около 3 тысяч к 90-м годам). В датчикахв первые использовался принцип динамической поляризации ядер в растворе радикала Копингера (Гальвиноксил), который показал эффект лёгкого насыщения, обнаруженный доцентом Балдиным В.И. Сейчас, в XXI веке, этот эффект вновь интенсивно изучается, называемый Гейзенберговской гиперполяризацией. К сожалению, радикал отличался недостаточной стабильностью (0.5-1 год), что стало, как это ни странно, залогом выживания лаборатории в 90-е годы.
Второе поколение сотрудников под руководством нового заведующего лабораторией Сапунова В.А. осуществляло обслуживание малостабильных серийных датчиков этих магнитометров и их модернизацию с использованием нового сверхстабильного радикала. Перспективный, хотя внешне и не соответствующий стандартным требованиям, класс новых радикалов, был обнаружен и изучен в диссертации Сапунова В.А., где также нашло феноменологическое и теоретическое обоснование упомянутого эффекта гиперполяризации, а также были обнаружены новые эффекты, имеющие прикладное и фундаментальное значение для оверхаузеровской динамической поляризации ядер.
Были защищены диссертации, в частности, Андреем Трегубенковым, под руководством одного из ведущих теоретиков кафедры теоретической физики, доцента Довгопола С.П. Его работа была посвящена применению к более простым 4-х и 6-ти уровневым квантовым системам нитроксильных радикалов, которые до сих пор используются в иностранных аналогах. Здесь можно отметить, что датчики оверхаузеровских магнитометров, внешне простые, фактически являются лазерными квантовыми системами, где производится накачка электронных уровней и генерация усиленной прецессии ядерной подсистемы растворителя. Значительный вклад в развитие таких радикалов внесли профессиональные химики, как непосредственно УПИ (В.Ф. Грязев и Вера Берсенёва), так и московского ИХФ, в частности, академик Бучаченко А.Л. и его коллеги: Ольга Эммануэль, А.М. Сахаров и др.
Неоценимый вклад в развитие, а точнее даже спасение НИЛ КМ, когда возникли проблемы с московскими химиками, внесли академик В.Н. Чарушин, который, понимая народно-хозяйственную значимость магнитометрии, поручил в.н.с. Д.М. Чижову освоить синтез — и он синтезирует самые чистые радикалы для наших магнитометров.
Следует упомянуть две диссертации семьи Денисовых, преподавателей ТФПМ и совместителей НИЛ КМ, по совершенствованию алгоритмов обработки сигналов прецессии, что повысило конкурентоспособность результатов. Неоценим и вклад ИГФ УрО РАН, где Л.А. Муравьёв, защищая диссертацию, показал высокую эффективность оверхаузеровских магнитометров POS и его реальные геофизические параметры на примерах исследования золоторудных месторождений. Есть и более значимый пример плодотворного сотрудничества с ИГФ УрО РАН – Кусонский А.А. и Мартышко П.С. решились купить первый вариант векторного магнитометра POS-3, а магнитолог обсерватории АРТИ, выпускник ТФПМ Павел Бородин, серьёзно помогает его метрологической верификации, находя всё новые недостатки и эффекты, что достойно диссертационной работы, которая его не интересует. К сожалению, есть и другие незащищённые диссертации, хотя компьютерный расчёт оверхаузеровских датчиков Гаврилина А.С., учитывающий свойства новых радикалов, позволил создать сверхкомпактный неориентируемый датчик, не имеющий мировых аналогов. Сейчас лаборатория производит скважинный магнитометр LOM-2 на основе таких датчиков, нашедший применение на маломагнитных месторождениях (кимберлиты, бокситы и т.п.), например, в АЛРОСА и в Китае.
Ключевым событием в истории НИЛ квантовой магнитометрии был приезд (заехал мимоходом) ведущего геофизика NEWMONT Gold Боба Андерсона (США), который, увидев пилотный образец магнитометра POS ещё в деревянном корпусе, взял его пробовать и заказал партию, возможно, в пику конкуренту из Канады GEM Systems. Только после этого отечественные пользователи уверовали в наши результаты, как говорится, в своём отечестве пророка нет — но никто не уехал, и конкурентная борьба продолжилась. С 2000 года выпущено по индивидуальным заказам около 500 магнитометров POS обсерваторского и геологоразведочного назначения, различных модификаций. Фактически половина магниторазведочных партий РФ уже 15 лет использует их, и многие до сих пор работают, благодаря сверхстабильности нового радикала и надёжности электроники, разработанной выпускником кафедры теоретической физики с.н.с. Савельевым Д.В. (03.09.1966 – 24.01.2019). К сожалению, его учитель Игорь Курбатов ушёл молодым, не выдержав период назревающих инноваций.
Новейший период — расцвет нанотехнологий и инноваций, а лаборатория всё также разрабатывает и производит магнитометры, но и её коснулся ветер перемен с приходом юного поколения бакалавров и магистрантов. В рамках программы инновационного развития УрФУ открыта фирма МИП «Квантум Магнетик Пайп Тест» с 25% участием УрФУ. Директор ООО Евгений Нархов, одновременно — научный сотрудник НИЛ КМ, и его юные коллеги славны не только учёбой на всевозможных предпринимательских курсах вплоть до MBA, участием в инновационных форумах, выставках, «хакатонах» и грантах СТАРТ, но и действительными достижениями мирового уровня.
Главное — они молоды, и, увидев, например, падающий Челябинский метеорит, не задумываясь, берут магнитометры и идут на поиски — и находят! Именно они с помощью градиентометра MMPOS-2gps построили магнитную карту места падения метеорита, локализовав координаты и глубину, которые пригодились правительству Челябинской области и организатору метеоритной экспедиции профессору Гроховскому В.И. при планировании подъёма метеорита. После извлечения метеорита повторное магнитное картирование подтвердило верность расчётов — и мастерство геологоразведчиков бакалавров кафедры технической физики Андрея Фёдорова и Дмитрия Милюкова. Это было хорошее начало, в дальнейшем нашедшее развитие применительно к новой технологии сканирования трубопроводов.
Затем были два морских сезона в Арктике на Байдарацкой Губе, проведенные совместно с отделами институтов океанологии Чилингарова А.Н. (В.В. Архипов) и лабораторией Городницкого А.И. (д.ф.-м.н. Иваненко А.И.), при курировании «Газпром ВНИИГАЗ». В ходе «полевых работ» в суровых условиях была показана высокая эффективность и точность локализации подводного газопровода, проходящего по дну Карского моря, с помощью нового четырёхканального магнитометра — градиентометра. Результаты легли в основу научных статей.
Но реальное дело не ждёт. Надо успеть продемонстрировать новый POS-4 на семинаре ИТЕРМАГНЕТ в Австрии, надеясь, что этот, не имеющий прямого мирового аналога абсолютный векторный магнитометр, разработанный в рамках хоздоговора УрФУ и ФЦПГЦ РАН (академик А.Д. Гвишиани), будет востребован на магнитных арктических обсерваториях и системах сопровождения наклонного бурения.
Молодая кровь бурлит, подогреваемая экономическими интересами, и вот уже три магнитометра POS-1aero, с регистратором, разработанным магистрантом ТФПМ Александром Широковым, летят с Иркутским Технопарком (Александр Паршин и Ю.А. Давыденко) на гексакоптерах искать золото. Евгений Нархов в 2019 году выигрывает конкурс Свердловской области и получает на новейший гексакоптер для развития методик применения беспилотных аппаратов. И, помимо этого, успехи ООО «Квантум Магнетик Пайп Тест» отмечены благодарностями и призами инновационных структур, включая сам УрФУ.
Подводить итоги рано — есть и другие идеи, так как технология оверхаузеровской динамической поляризации ядер и квантовая магнитометрия хороши как благодаря широкой области применений: «От космоса и до морских глубин», так и некоторой фундаментальной консервативностью, что позволяет оставаться конкурентоспособными.В космосе мы пока не были, но глубинные магнитометры разрабатывали и поставляли, например в Италию или МЧС, но всё это как соисполнители, а другие мечты, такие как Оверхаузеровская релаксометрия и МРТ — оставим для следующего юбилея ФТИ.