Член-корреспондент РАН Н.В.ГАВРИЛОВ: "Приходится быть мастером на все руки"

Во время нашей беседы с Николаем Васильевичем  Гавриловым в его рабочем кабинете в Институте электрофизики УрО РАН ему позвонили, и я стала невольным свидетелем производственного разговора. Речь шла о закупке подложек — образцов материала, на поверхности которого под действием пучково-плазменной обработки создается слой с требуемыми составом, структурой и свойствами. В очередной раз я отметила, насколько органично некоторые ученые выполняют различные функции: исследователя, проектировщика, менеджера, переключаясь с чисто фундаментальных исследований на решение прикладных задач.

Н.В. Гаврилова, избранного членом-корреспондентом РАН в декабре минувшего года, на страницах «НУ» мы представляем впервые, хотя в Уральском отделении он человек известный. Заместитель директора Института электрофизики УрО РАН по научной работе, заведующий лабораторией пучков частиц, автор более 160 научных трудов, в том числе 33 патентов и авторских свидетельств, лауреат премии президиума УрО РАН имени члена-корреспондента М.Н. Михеева, заслуженный деятель науки РФ. 

Я попросила Николая Васильевича рассказать о себе подробнее.

— Если говорить о научной биографии, то вы «родом из Томска», из Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН. Как вы там оказались?

— Вообще-то я южноуралец, родился в городе Орске Оренбургской области. Окончил техникум, стал специалистом по электрооборудованию, некоторое время проработал на Орском механическом и Южно-Уральском машиностроительном заводах, но вскоре решил продолжить образование. Томский политехнический институт мы с другом выбрали потому, что там первым предметом надо было сдавать нашу любимую физику. А поскольку оба мы окончили техникум с красным дипломом, то для поступления нам достаточно было успешно сдать один экзамен. Так я попал в Томск. После окончания электрофизического факультета ТПИ работал на кафедре физической электроники, потом в НИИ ядерной физики, а с 1978 года — в лаборатории плазменной эмиссионной электроники ИСЭ СО РАН, которой заведовал доктор технических наук Юлий Ефимович Крейндель, мой научный руководитель. 

Мы занимались созданием сильноточных источников положительных ионов газов. Это направление стало интенсивно развиваться в 1960-е годы для обеспечения масштабных национальных проектов по нагреву плазмы в токамаках, разработке электрических двигателей малой тяги для космических аппаратов и модификации материалов ионными пучками. В результате были созданы мощные системы инжекции пучков нейтралов и разработаны основанные на воздействии мощного ионного облучения технологии: ионно-лучевое травление и нанесение покрытий ионным распылением материалов, модификация поверхности металлов и сплавов ионной имплантацией, а также нанесение покрытий с ионно-лучевым сопровождением. Особенность наших разработок заключается в том, что мы примененяем разряды с холодным катодом. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с источниками с термоэмиссионным катодом, которые не могут длительно функционировать в химически активной среде, и с высокочастотными источниками, для которых требуются сложные и дорогие источники питания.

— В 1986 году вместе с другими томскими учеными по приглашению академика Месяца вы переехали из Томска в Свердловск. Чем заинтересовали Геннадия Андреевича ваши работы, ведь он занимался несколько иным направлением — взрывной электронной эмиссией? 

— Геннадий Андреевич подбирал для будущего Института электрофизики людей, которые могли бы заниматься как фундаментальными, так и прикладными исследованиями, создавать наукоемкие технологии и приборы. Поэтому он и решил развивать в Свердловске-Екатеринбурге наше направление.

Первоначально ионная имплантация применялась в основном для легирования полупроводников. Для этого достаточно воздействия ионного облучения небольшой силы. Если же мы хотим модифицировать механические, химические, коррозионные, каталитические, оптические, электрические, магнитные свойства металлических материалов, то необходимо более сильное воздействие, которое могут обеспечить сильноточные источники ионов. 

Ионная имплантация воздействует на микроструктуру, уровень внутренних напряжений, дефектное состояние приповерхностного слоя материала, а имплантация ионов металлов приводит к возникновению химических соединений в слое. Модифицировать материал можно и путем нанесения покрытий из плазмы, при котором на его поверхности формируется слой с требуемыми свойствами. В последнее время мы активно работаем в этой области. 

В зависимости от выбранного режима ионно-лучевой обработки (осаждение покрытия, распыление поверхности, ионное внедрение) требуются ионы, энергия которых варьируется в диапазоне от нескольких электронвольт до нескольких десятков килоэлектронвольт. Мы создаем источники ионов газов и металлов с энергией от 300 до 50 000 электронвольт, с током пучка от нескольких десятков до нескольких сотен миллиампер и с площадью поперечного сечения 100–1000 см2. 

Мы разработали оригинальную систему получения алмазоподобных покрытий ионизацией ацетилена в плазме электронного пучка и в сотрудничестве с коллегами из Института физики металлов УрО РАН, в частности с кандидатом  физико-математических наук И.Ш. Трахтенбергом, модернизировали установку для их нанесения. Это направление активно развивается и сегодня: мы получаем наноструктурные сверхтвердые покрытия, состоящие из нанокристаллов карбида титана в аморфной алмазоподобной фазе. Ионное сопровождение было использовано для магнетронного нанесения покрытий на токовые коллекторы высокотемпературных топливных элементов с твердооксидным электролитом. В результате мы получили стойкое к высокотемпературному окислению покрытие из марганец-кобальтовой шпинели с низким удельным сопротивлением для национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты», эти исследования продолжаются в сотрудничестве со специалистами РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск). Создана также методика азотирования нержавеющих сталей и титановых сплавов в плазме электронного пучка. 

— Где еще используются разработанные вами методики и приборы?

— Совместно с сотрудниками Уральского завода гражданской авиации мы разработали и внедрили технологию нанесения эрозионно-стойких покрытий на лопатки компрессора газотурбинных вертолетных двигателей с ионно-лучевым сопровождением. По этой технологии завод выполнял крупные контракты с заграничными заказчиками, в частности из США. С американцами мы начали сотрудничать еще в начале 1990-х годов, у нас был совместный проект с лабораторией в Лос-Аламосе, куда мы поставили свою установку. Наши источники работают в фирмах Японии и Южной Кореи. Источник ленточного ионного пучка установлен в Технопарке авиационных технологий (Уфа) при  Уфимском авиационном университете и Уфимском моторостроительном производственном объединении. В сотрудничестве с Институтом реакторных материалов (г. Заречный) были проведены исследования по модификации защитных оксидных пленок сплавов циркония с ниобием под воздействием потока ионов высокой интенсивности. Мы показали, что высокодозная имплантация ионов азота при повышенных температурах практически полностью подавляет развитие нодульной коррозии на образцах дистанционирующих решеток. Совместно с учеными лаборатории пучковых воздействий нашего института во главе с доктором физико-математических наук В.В. Овчинниковым для Каменск-Уральского металлургического завода была создана установка ионно-лучевой обработки движущихся образцов из алюминиевых сплавов встречными ионными пучками — имитация работы стана холодной прокатки с ионным источником для холодного отжига листового проката. 

Разработанные нами источники широко используются в различных научных исследованиях. Мы активно сотрудничаем с коллегами из Уральского федерального университета в области создания эффективных нанокомпозитных люминофоров, изучения кинетики доменной структуры в ниобате лития с поверхностным слоем, модифицированным ионной имплантацией. Совместно с сотрудниками ИФМ УрО РАН, в частности с доктором физико-математических наук  Э.З. Курмаевым, решаем проблему уменьшения ширины запрещенной зоны в кристаллических полупроводниках с помощью ионно-лучевого легирования. 

— До «высадки томского десанта» ни взрывной электронной эмиссией, ни ионной имплантацией на Урале никто не занимался. Как вам удалось так быстро «пустить корни» и развернуть новое для уральской академической науки направление? 

— Это был не такой уж быстрый и совсем не легкий процесс. Из томского Института сильноточной электроники мы не привезли практически никакого оборудования. Своих помещений не было. Помню, в первый рабочий день в Свердловске я ходил по коридорам здания на ул. Первомайской, 91 и размышлял, с чего начинать. Потом нам выделили часть первого этажа. Одно время мы помещались на Первомайской, 106, где была автобаза, а ныне находится Институт иммунологии и физиологии УрО. Поскольку собирались там окончательно обосноваться, построили даже бункеры со свинцовой защитой от излучений. Давали нам приют и коллеги из ИФМ, помогали с оборудованием. Там мы собрали свои первые установки. 

— Как и другие ученые-электрофизики, вы многое делаете своими руками и сочетаете в себе экспериментатора, теоретика, инженера, менеджера и даже лаборанта… Одним словом, «и швец, и жнец, и на дуде игрец».  Кем же вы все-таки себя ощущаете?

— И тем, и другим и третьим. Созданию ионных источников предшествуют фундаментальные исследования процессов генерации плазмы в газовых разрядах, условий создания однородных плазменных образований большого размера с высокой плотностью плазмы. Нужно обеспечить стабильность плазмы при отборе заряженных частиц, сформировать однородные пучки с большим поперечным сечением и требуемой энергией и плотностью тока. 

Весь процесс создания источников проходит у нас — от идеи до разработки технологий, т.е. этапа отраслевого института, и сборки установок, по существу производственной стадии. Конечно, полностью все «железо» самим сделать невозможно. Что-то отдаем в виде чертежей на завод, электронные комплектующие ввозим из Японии. Но собираем свои источники мы сами. Такая уж у нас наука — приходится быть мастером на все руки. 

  Беседовала Е. ПОНИЗОВКИНА