Высокоэнергетический «глаз» ученого — так поэтично называют иногда синхротрон. Он представляет собой большое кольцо, по которому в вакууме по изогнутой траектории летает со скоростью, близкой к скорости света, пучок электронов. При повороте электроны дают рентгеновское излучение, уникальное по своим характеристикам — с его помощью можно изучать материалы и химические реакции. Свет синхротрона позволяет увидеть атомную структуру вещества, процесс возникновения и разрыва химических связей между атомами.

Впервые синхротронное излучение применили в 1979 году американские физики из Стенфорда для исследования кристаллов. А сегодня на синхротронах чего только не делают! Часть исследований связана с фундаментальной наукой, другая — носит прикладной и коммерческий характер, изучают даже объекты культуры и исторического наследия. Синхротронные исследования нужны при разработке новых материалов, например, для химической, автомобильной, металлургической, микроэлектронной, аэрокосмической, нефтегазовой отрасли. На них опирается фармакология при создании лекарств и медицина, в разработках новых технологий лечения.

Синхротронное излучение может работать и как микроскоп для изучения структуры вещества, и как «лазер» для «выжигания» заготовок компьютерных чипов, и как «скальпель», удаляющий склеротические бляшки внутри кровеносных сосудов.

В отличие от коллайдеров, созданных для решения узкоспециализированных задач физики элементарных частиц, синхротроны — это крупные центры мультидисциплинарных исследований. В России сегодня действуют два источника синхротронного излучения: один в Курчатовском институте в Москве, он запущен в 1999 году, второй в Новосибирске в институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, он работает с 1973 года и за это время его не раз модифицировали. Третий синхротрон должен был появиться в Зеленограде.

Для строительства такого объекта требовался солидный профильный институт. В Зеленограде как раз был такой — НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина. Как рассказал «Зеленоград.ру» сотрудник НИИФП 1970-90-х годов, этот институт с начала 70-х был уникальным не только в Зеленограде, в системе Министерства электронной промышленности (МЭП), но и во всей стране.

Неофициально он считался «академией наук» внутри МЭП. В отличие от остальных НИИ при нём не было своего завода — при всех зеленоградских НИИ они были с момента основания, сначала опытные, затем выросли в серийные. НИИФП же призван был заниматься «физическими проблемами» — не только фундаментальными исследованиями, но и прикладными, которые выливались во внедрения по всей стране. В те годы получить акт о внедрении — это была наивысшая гордость, по аналогии с тем, чем больше всего гордятся теоретики: не формулами, а их применением на практике, «теоремы сталью засверкают», как пелось в одной физтеховской песне.

К тому времени в мире стали появляться синхротроны или синхрофазотроны. Эти кольцевые ускорители элементарных частиц были высшим экспериментальным достижением в области ядерной физики. В СССР существовали именно синхрофазотроны, построенные в Дубне к началу 1970-х годов. Эти аппараты назначались для нужд фундаментальной науки — на них можно было открывать новые элементы, пополняя таблицу Менделеева, чем в Дубне и занимались. Прикладное их применение не предусматривалось.

Синхротрон в Зеленограде предназначался в первую очередь для нужд советской микроэлектроники, которая в то время активно развивалась, успешно конкурируя с западными странами. В соответствии с законом Мура, степень интеграции микросхем каждые два года удваивалась — на каждом квадратном сантиметре микросхемы умещалось вдвое больше транзисторов и прочих элементов, что увеличивало производительность обработки данных. Это означало, что размеры транзистора должны уменьшиться до субмикронного (нано) уровня и в перспективе будут сравнимы с величинами межатомных расстояний. Фактически от того, сколь малыми объектами оперировали инженеры, напрямую зависело, насколько современными будут отечественные ракеты и самолёты, танки и медицинское оборудование, системы связи и управления.

Но как уместить на микросхеме такие мелкие элементы? Для этого на ней надо сделать как можно больше засечек. Рисунок с большим разрешением можно «выжечь» при помощи волн света малой длины. Волны такой длины — глубокий ультрафиолет или гамма-излучение — можно получить за счёт ускорения электронов внутри синхротронного кольца. Здесь волна излучения выступает как лезвие ножа: чем меньше длина волны, тем острее нож и тем больше можно поместить элементов на пластине. Такую технологию применяют в фотолитографии для экспонирования структуры на кремниевую подложку микросхемы.

Во время фотолитографии происходит засвечивание нужных очертаний на фоточувствительной поверхности кремниевой заготовки. Технология построена по принципу «свет-шаблон-фоторезист». Нужная структура рисуется на фотошаблоне — обычно это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. На пластину наносится фоторезист (левая часть иллюстрации), далее идёт процесс ионной имплантации — пластина (в центре иллюстрации) облучается потоком ионов, которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (правая часть иллюстрации, зеленые участки пластины — внедренные чужеродные атомы).

С помощью синхротрона можно делать не только фотошаблоны для топологии субмикронного уровня, но и производить само экспонирование на слой фоторезиста с нужным разрешением.

Изначально планировалось, что зеленоградский синхротрон будет работать на две цели: получение сверхбольших и сверхбыстродействующих интегральных схем и изучение физики поверхности вещества.

Советская власть была щедра на запуск подобных проектов, и в Зеленограде решили строить синхротрон, чтобы обеспечить развитие отечественной микроэлектроники до технологий субмикронного (нано) уровня. В МЭП рассудили, что поскольку это идеи будущего, синхротрон надо строить при НИИФП. Выделили деньги, заказали проект, и «всё заверте…»

«Перед началом строительства развернулись целые баталии: существовало даже мнение, что это атомная бомба, закладываемая под город» — писал зеленоградский историк Игорь Быстров. Но физики успокаивали: «Что касается синхротрона, то он не опаснее самовара. Когда самовар работает — он горячий. Сунете палец — и обожжётесь. Точно так же и здесь, не суйте пальцы в работающий синхротрон — и все будет о'кей. Но если серьезно, то ускоритель находится под землей в бетонном мешке».

К сооружению синхротрона приступили в 1984 году, работы нулевого цикла развернулись в Северной зоне Зеленограда. В её болотистую почву вогнали несколько тысяч свай, чтобы фундамент не подвергался колебаниям. За первые несколько лет, благодаря щедрому финансированию, успели построить уникальное здание — 120x72 метров, с несущей плитой для синхротрона 60x60 метров в основании. Говорят, в его бетонные стены вмонтировали арматуру не из железа, а из нержавеющей стали. Некоторые части фундамента представляли собой автономные вибростойкие конструкции, где могло нормально функционировать оборудование, предназначенное для работы на наноуровне. «Дом для синхротрона» являл собой четырёхэтажный бетонный бункер, синхротрон планировали разместить в цокольном этаже.

Однако известные события конца 1980-х годов в стране набирали обороты, денежный поток, выделяемый государством, заметно оскудел, и у проекта начались финансовые трудности.

За синхротрон боролись в МЭП и даже заполучили письмо за подписью Бориса Ельцина, тогдашнего руководителя Госстроя СССР, в этом документе от 15 августа 1989 года содержалась просьба ускорить строительно-монтажные работы на новом технологическом комплексе.

Сам синхротрон — его аппаратную часть, ускоритель, кольцо и прочее — было поручено изготовить институту ядерной физики РАН, который находится в Академгородке под Новосибирском. И в 1990 году из столицы Сибири прибыл первый вагон с «начинкой». До 1991 года успели сделать всю «оболочку» синхротрона — внутренний инженерно-производственный корпус площадью 2,5 тысячи кв.метров, потратив на неё $90 миллионов, и это еще без учёта стоимости разработки синхротрона в Новосибирске. На этом благополучная часть истории заканчивается — дальше начинаются трудности.

О том, что на рубеже 1980-90-х годов в Зеленограде собирались строить ещё один синхротрон — в рамках грандиозного проекта Центра информатики и электроники (ЦИЭ), который стахановскими темпами начали возводить на плато между селом Кутузовым, рекой Горетовкой и 16-м микрорайоном — сегодня уже почти никто не помнит.

Второй синхротрон существенно влиял на замыслы проектировщиков, о чём вспоминал архитектор Тотан Кузембаев, работавший над эскизным проектом ЦИЭ: «Нарисовали круг диаметром в километр (это был синхрофазотрон), по которому на немыслимой скорости должны были двигаться электроны и какие-то частицы и сталкиваться друг с другом. Все это было непонятно и поражало нас, завораживало. По краям этого круга стоят небоскрёбы научно-исследовательских институтов, а за ними — большие плоские заводы, где отрабатывали конвейерность отечественного производства».

О том, что внешний коллектор ЦИЭ изначально предназначался для ускорителя заряженных частиц, упоминает и Феликс Новиков в своей книге «Зеленоград — город архитектора Игоря Покровского». Именно по этой причине, утверждает он, сложилась кольцевая композиция Центра.

Но зачем и кому был нужен ещё один синхротрон в Зеленограде? «Во всяком случае, для фундаментальных научных исследований этот объект не предназначался, — рассказал „Зеленоград.ру“ генеральный директор АО „НИИМЭ“, председатель совета директоров ПАО „Микрон“, академик РАН Геннадий Красников. — Если в ЦИЭ и собирались строить синхротрон, то это, конечно, был прикладной инструмент наподобие электронного микроскопа, только с другими мощностями, который мог использоваться для двух целей: для исследования структур кристаллов, либо для фотолитографии».

Фантастикой назвал строительство синхротрона в ЦИЭ и директор НИИ Особо чистых материалов Борис Грибов: «К тому времени площадь синхротрона уже уменьшилась в десятки раз. Километровый синхротрон был уже не нужен».

Однако «в верхах», видимо, считали иначе. Вести научные и опытно-конструкторские работы в ЦИЭ планировали вместе с ведущими западными фирмами. «Уже сегодня достигнута договоренность с Японией о создании Международного центра синхротронной науки и технологии. Ведутся переговоры о формировании ряда объектов ЦИЭ с участием инофирм и создании совместных предприятий, заключён ряд соглашений с научными организациями США Италии, Японии, Германии и других стран о совместных исследованиях по целому сектору научных направлений», — сообщал закрытый документ из архива Госкомитета СССР по вычислительной технике и информатике (ГКВТИ) (источник — Музей Зеленограда).

Однако времена стремительно менялись, а с ними и планы. Строить синхротрон в ЦИЭ раздумали. Архитектор Валерий Котов рассказал «Зеленоград.ру»: «Во внешнем кольце ЦИЭ под землей, как нам говорили сначала, должен был располагаться ускоритель заряженных частиц. Мы даже Покровского спрашивали: „Как же так, город рядом — а тут ускоритель заряженных частиц?“ Но позже приезжавшие из Ленинграда специалисты сказали, что во внешнем кольце будут ездить электрокары, осуществляя транспортную связь между цехами».

Даже тот синхротрон, который вот уже несколько лет строился в НИИФП, по мнению Геннадия Красникова, был ни к чему его зеленоградским «соседям» — разработчикам микросхем из НИИМЭ и заводу «Микрон»: «Я спрашивал в НИИФП, зачем этот синхротрон? Мне отвечали, это для вас. Но нас об этом не спрашивали. На тот момент у нас уже были другие приборы для фотолитографии — эксимерные лазеры, дающие глубокий ультрафиолет. Сейчас все литографии делаются на нём, и синхротрон для этого совершенно не нужен. Ни сейчас, ни тогда, когда он задумывался — не был нужен».

Действительно, пока зеленоградский синхротрон проектировали и строили, в мире тоже появилось несколько подобных приборов. К концу 70-х — началу 80-х годов в США создали установки для формирования фотошаблонов на том же ультрафиолете, который обеспечивал и синхротрон, но буквально настольные, так что для фотолитографии синхротрон действительно уже не требовался.

Тем не менее, строительство синхротрона при НИИФП продолжалось — при отсутствии финансирования его практически вели сами сотрудники института. Ведь этот высокоэнергетический «глаз» был способен решать не только те задачи, ради которых задумывался.

«Назначение синхротронов, которые на тот момент активно строили во всём мире, было отнюдь не только в том, чтобы добиваться изображения на фотошаблонах с высоким разрешением, — рассказал «Зеленоград.ру» сотрудник НИИФП 1970-90-х годов. — Синхротронное излучение — это мощный инструмент для исследования структуры самых разных полупроводников и, в конечном счёте, интегральных схем. Недостаточно сформировать на схеме «картинку» с субмикронными размерами. В действительности за размерами топологии стоит целая пирамида: микроэлектроника — это только верхушка айсберга, она зависит от развития большого количества технологий и производств. А в широком основании этой пирамиды — чистота и влажность реагирующих газов в технологических установках, месторождения, где надо добывать наиболее чистый природный песок, чтобы из него делать кремний.

Зеленоградский синхротрон должен был стать первым в стране синхротроном микроэлектронного назначения. На других синхротронах разгоняли ионы и атомы, изучали ядерные реакции и взаимодействие элементарных частиц. Задачей для нашего синхротрона, по существу, было исследование материалов и развитие субмикронных технологий".

В 90-е годы большая часть оборудования для синхротрона, уже изготовленного и оплаченного, в течение нескольких лет продолжала храниться в Новосибирске. Небольшую его часть перевезли в 1990-91 годах, но дальше вмешалась перестроечная кутерьма, и до 1994 года работы не велись. Потом сотрудники НИИ физических проблем сделали всё, что в состоянии были сделать: вытащили мусор из машинного зала, покрасили его. Кандидаты, доктора наук и даже заместители директора надели фуфайки, рукавицы и сами двигали тяжеленные агрегаты. Смонтировали всё «железо», которое было перевезено и несколько лет валялось без дела: собрали малое кольцо синхротрона — источник ВЧ-энергии для линейного ускорителя, которое нужно для «впрыскивания» электронных пучков в большое кольцо.

Для перевозки и монтажа всего остального помимо голого энтузиазма требовалось ещё $8 миллионов. Во второй половине 90-х для энергопитания «технологического накопительного комплекса» — так называется синхротрон на языке специалистов — построили отдельную подстанцию. Это было необходимо, поскольку в момент ускорения сила тока в обмотках электромагнита повышалось до 7500-12000 Ампер, как рассказывал в интервью газете «41» сотрудник НИИФП Николай Спинко — «Если бы синхротрон был подключен к общей сети, то весь Зеленоград после запуска мог бы остаться без света».

Пробный пуск синхротрона состоялся в декабре 2002 года — запустили только его часть, линейный ускоритель, который дал ожидаемый пучок электронов.

В замкнутом контуре большого кольца-накопителя, длина окружности которого у зеленоградского синхротрона составляет 115 метров, такой пучок электронов можно было бы разгонать до скорости, близкой к скорости света.

Возникающий при этом эффект метафорически описал журнал «Популярная механика»: «Представим себе невозможное. Войдем с зажжённым фонарём в тёмную комнату, привяжем к фонарю верёвку и начнём сильно его раскручивать. Его свет будет сначала вырывать из темноты предмет за предметом, а потом мы станем разгонять фонарь, и его свет сначала сольётся в кольцо, а потом… оторвётся по касательной, осветив мгновенной нестерпимой вспышкой нужный для исследования материал. Вы скажете: „Так не бывает“, — и будете правы. Но только если речь идёт о фонаре. Если же разгонять до околосветовых скоростей в циклическом, похожем на огромный бублик, ускорителе сгустки электронов или протонов, то можно получить эффект, напоминающий описанный опыт. Другими словами — возникнет синхротронное излучение».

«Бублик» не совсем круглый — он состоит из коротких прямых отрезков и поворотных магнитов. Пучок электронов поворачивается и из него вылетает пучок рентгеновского излучения.

Вспышка синхротронного излучения длится меньше миллиардной доли секунды и повторяется каждый период обращения пучка электронов, то есть, с перерывом в несколько микросекунд. В «свете» этой вспышки удобно изучать как структуру вещества, так и интенсивные процессы, протекающие очень быстро.

Если взглянуть на синхротрон сверху, то он похож солнце, каждый луч которого «согревает» отдельную «планету» — лабораторию. В 115-метрой окружности проделаны 37 «отверстий» для использования излучения. Значит, на синхротроне можно производить одновременно 37 научных исследований.

Все это, казалось, должно было случиться в ближайшей перспективе. Правда, за годы, пока в Зеленограде шло строительство, во всём мире успели построить более сотни мощных синхротронов (а в 1984 году, когда строительство только начиналось, их было менее десяти), к тому же зеленоградский синхротрон — комплекс 2-го поколения, тогда как в мировой науке шло уже 3-е… Но, как оптимистично сообщалось в печати, «он может быть подвергнут модернизации и „поднят“ до 3-го уровня. Уже есть проект реновации, который позволит расширить его возможности».

Тем временем в 2003 году на базе аналитических лабораторий центра физико-химических исследований и строящегося технологического накопительного кольца «Зеленоград» c источником синхротронного излучения был создан Центр Коллективного Пользования (ЦКП) «Синхротрон».

После первого пуска работы продолжились. Зимой 2007-2008 годов в малом кольце в режиме опытной эксплуатации физикам удалось получить стабильный пучок электронов в 450 МэВ. На 2009-2010 годы в НИИФП планировали запустить большое кольцо с первыми шестью каналами вывода, однако из-за финансовых проблем его ввод был отложен.

«В научных публикациях зеленоградский синхротрон последний раз упоминается в 2011 году, — рассказала „Зеленоград.ру“ физик Ксения Козловская, — и то не описывались никакие полученные там результаты».

«Мёртвый сезон для комплекса с синхротроном НИИФП закончился, — заявлял в 2014 году префект Зеленограда Анатолий Смирнов. — Я верю, что проект будет реализован и положит серьёзный задел для создания прорывных технологий».

Предпосылки к тому, что синхротрон всё-таки заработает, префект видел в участии НИИФП как головного предприятия в федеральной программе по развитию наноэлектроники. По его мнению, НИИФП мог бы стать ядром инновационного территориального кластера «Зеленоград» и предоставлять синхротрон предприятиям Зеленограда для научных исследований в области развития технологий.

Не видел к этому особых препятствий и тогдашний директор НИИФП Александр Гудков, считавший, что при благоприятных обстоятельствах запуск синхротрона будет возможен уже через 1,5 года — то есть в 2016-м.

В 2014 году синхротрон был фактически достроен. Линейный ускоритель и малое накопительное кольцо находились в рабочем состоянии, большое кольцо было полностью собрано и готово к запуску.

«К настоящему времени синхротрон „Зеленоград“ смонтирован в соответствии с исходной проектной документацией, — писал в спецвыпуске 2014 года журнал „Электроника: НТБ“. — Однако для удовлетворения возросших потребностей современной наноиндустрии необходимо провести модернизацию комплекса, а для его эксплуатации — обеспечить подключение электроэнергии мощностью не менее 20 МВт».

Для полноценного запуска синхротрона оставалось решить ещё ряд задач: проложить кабели и организовать каналы рабочих станций под синхротронное излучение, дооснастить чистые комнаты и лабораторные помещения и, наконец, подключить синхротрон к энергоресурсам. Мощностей, нужных для подключения, у Зеленограда было достаточно. После успешных переговоров с Мосэнерго разрабатывалась схема питания.

Казалось, вот-вот всё заработает и тогда «использование синхротрона „Зеленоград“ обеспечит эффективную разработку технологий мелкосерийного производства и методов сертификации наноизделий, а также позволит в полной мере реализовать методы рентгеновской литографии при производстве большей части гибридных и негибридных МЭМС-изделий». (МЭМС — микроэлектромеханические системы, на основе которых делают датчики давления и ускорения)

Разумеется, на «доведение синхротрона до ума» требовались деньги.

Однако финансовые дела НИИФП им. Лукина шли далеко не блестяще. С 2014 года по данным агрегаторов финансово-правовой информации его выручка ежегодно падала на 30-40%, из-за чего предприятие балансировало около нулевой отметки, а финансовым итогом 2015 года стал чистый убыток в 150 миллионов рублей. В 2016-м институт задолжал своим сотрудникам 16 миллионов рублей. В конце 2015 — начале 2016 года, когда к этому делу подключилась прокуратура, сумма долга составляла уже около 20 миллионов рублей. О больших финансовых трудностях предприятия заговорили во всеуслышание. Рассчитаться с долгами по зарплате НИИФП удалось лишь к началу 2018 года.

Что именно происходило с синхротроном в эти последние годы — был ли он просто законсервирован или, не афишируя того, выполнял на заказ какие-то исследования для нужд микроэлектроники, «Зеленоград.ру» выяснить не удалось. В НИИФП не ответили на запросы редакции.

На сайте ЦКП «Синхротрон» есть план работ на 2020 год, в котором значатся исследование наноразмерных слоев, полученных при производстве микросхем на основе кремния, исследование элементного состава отдельных кристаллов и структуры алмазоподобных пленок. Файл с перечнем услуг последний раз изменен в 2019 году и по его данным обычная календарная загрузка научного оборудования синхротрона колеблется от 30 до 70%. Но непонятно, идет ли речь именно о синхротроне или о другом оборудовании, установленном в ЦКП.

Летом 2019 года президент Владимир Путин подписал указ №356 о мерах по развитию в РФ синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры, в котором были утверждены сроки создания уникальных научных установок в этой области. Правительству России в числе прочего было поручено к 2022 году обеспечить проектирование синхротронного центра на острове Русский (Владивосток) и здания для переноса в него конструктивных блоков и агрегатов источника синхротронного излучения «Зеленоград».

По словам президента НИЦ «Курчатовский институт» Михаила Ковальчука, идея строительства синхротрона на острове Русский при Дальневосточном университете возникла спонтанно в апреле 2018 года в ходе совместного заседания президиума РАН и учёного совета Курчатовского института.

Уникальная научная установка класса мегасайенс «Источник синхротронного излучения 4-го поколения» (ИССИ-4), которую планируют построить на острове Русский, позволит вести исследования в русле создания биоподобных материалов со свойствами, которых нет у металлов. К примеру, морские глубинные животные имеют сверхтвёрдые панцири, которые выдерживают колоссальные давления и вдобавок обладают свойством самозалечивания. Считается, что изучение таких организмов поможет перейти от металлов к природоподобным материалам.

Но, как оказалось, грандиозные научные стройки задуманы не только там. В июле 2019-го ТАСС со ссылкой на Ковальчука сообщило, что синхротрон на острове Русский станет «одним из», наряду с другими аналогичными центрами по всей стране.

«Сейчас в рамках программы мегасейенс у нас начинается строительство целого ряда мощных объектов, — заявил Ковальчук. — Эта программа приведёт к тому, что у нас появится синхротронный центр в университете на острове Русский, второй — в Сибири, и центры в Москве, Московской области и Санкт-Петербурге. Речь идёт и о нейтронных центрах, и о синхротронных, и об ускорительных. Мы будем создавать эти синхротронные и нейтронные центры как базу для поддержки прорывов в области создания природоподобных технологий. У нас получится совершенно гармоничная структура по всей территории страны — центры превосходства, куда потянутся люди: и наши, и иностранцы».

Это «планов громадье» никак не объясняет, зачем нужно разбирать и везти на другой конец страны зеленоградский синхротрон, в который уже вложено порядка $100 миллионов — готовый к работе, но отставший от современной науки на два поколения.

«На мой взгляд, возить такое железо взад-вперед через всю Сибирь в высшей степени странно… — поделился своими размышлениями сотрудник НИИФП 1970-90-х годов. — К тому же, всё информационное, программное обеспечение к нему было сделано 30-40 лет назад. Что оно сейчас собой представляет? Ну и зеленоградское здание со стальной арматурой, конечно, не перевезёшь. Думаю, всё это оборудование уже морально устарело».

Тем не менее, о том, что зеленоградский синхротрон планируют перевезти на остров Русский, говорилось и в передаче телеканала «Культура» «Картина мира с Михаилом Ковальчуком. Подмосковный ЦЕРН. О развитии уникальных научных центров России». В ней подчёркивалось, что синхротронный источник, который был изготовлен и собран в Зеленограде для нужд микроэлектронной промышленности, находится в идеальном виде. И его при легкой модернизации перенесут на Дальний Восток.

На просьбу «Зеленоград.ру» проинформировать о причинах невозможности провести модернизацию и использовать синхротрон на территории Зеленограда, направленную на имя президента НИЦ «Курчатовский институт», Михаил Ковальчук не ответил.