Академик Г.Н. Кулипанов: «Мы оставим хороший задел тем, кто придет после нас»

– Геннадий Николаевич, почему – физика? Да еще и ядерная? Вы увлекались этой наукой с детства?

В детстве – точно нет: в школе моим любимым предметом была математика. А почему – вопрос сложный. Иногда человек сам выбирает, куда повернуть, иногда его толкает судьба. В моем случае было и то и другое.

Поступать я решил в НЭТИ: до открытия НГУ оставался еще год, а в то время НЭТИ был лучший технический вуз в городе, который готовил кадры по новым специальностям. Я выбрал электронные приборы. Хотя в дипломе у меня написано просто «инженер-электрик».

Знаете, что любопытно? Как-то раз мы с Жоресом Ивановичем Алферовым, нобелевским лауреатом по физике, разговорились, что называется, за жизнь. Алферов спрашивает: «Ты где учился?» – «В НЭТИ». – «А я в ЛЭТИ – ударение на второй слог. А кафедра какая?» – «Электронные приборы». – «Надо же, и у меня тоже. А в дипломе что написано?» – «Инженер-электрик». – «И я инженер-электрик! Мне жена до сих пор, если дома розетка ломается, говорит: а ну-ка, инженер-электрик, почини! И я чиню…» Мы тогда посмеялись. А Алферов этот разговор запомнил и потом не раз рассказывал, что мы с ним, оказывается, коллеги – оба инженеры-электрики...

– Что же привело инженера-электрика в ИЯФ? Вы могли бы попасть после вуза, например, на завод.

Не на завод. У меня, как у ленинского стипендиата и во всех отношениях хорошего студента, уже было готово распределение на атомную подлодку. Но тут как раз и сыграл свою роль счастливый случай.

Летом после 4-го курса мой однокашник Валя Горбунов произвел разведку и выяснил, что есть возможность попасть на преддипломную практику в Институт ядерной физики АН СССР. Такой шанс упускать было нельзя, и четверо наших ребят, я в том числе, записались туда на практику. Мне повезло попасть на собеседование к Александру Николаевичу Скринскому.

Он же определил для меня и тему дипломной работы – испытание нового прибора, сильноточного коммутатора-разрядника. В помощь дали хорошего лаборанта. А что вы удивляетесь? У нас в институте и тогда и сейчас к студентам-практикантам относились всерьез и ставили перед ними настоящие, серьезные задачи. Собственно, только так, через реальную работу, и можно воспитывать молодые кадры – это я вам по собственному опыту говорю.

В общем, я с головой окунулся в работу. И понял, что хочу здесь остаться – заниматься своим сильноточным разрядником, «гонять» его на стенде, изучать... Про особую ияфовскую атмосферу вы, наверное, не раз уже слышали – так вот я ее тогда почувствовал на себе. Эту всеобщую увлеченность, радость созидания, ощущение, что и ты, и все вокруг заняты крайне важным и очень интересным делом.

В итоге на атомную подлодку вместо меня поехал кто-то другой. Руководство института прислало официальное письмо, и я получил распределение в лабораторию Скринского – в должности стажера-исследователя.

А вскоре меня ждал еще один крутой поворот. Я полагал, что буду по-прежнему заниматься своей специальностью – электронными приборами. Но вот как-то раз заходит к нам Александр Николаевич. Спрашивает, над чем я работаю, я рассказываю, он слушает, кивает. А потом вдруг говорит: «Мы собираем команду для ВЭП-1. Это установка на встречных электронных пучках. В принципе она готова, но надо ее доработать. Давай переходи туда. А с разрядниками без тебя разберутся». Вот так все и началось.

Ребята в нашей команде все были молодые, да и сам Скринский старше меня всего на шесть лет, хоть я тогда и смотрел на него как на мэтра. Мне сразу дали задание – сделать систему измерений частот бетатронных колебаний и подготовиться к исследованию нелинейных резонансов. Сказать по правде, для меня это было абсолютно внове. Про бетатронные колебания я успел уже почитать, но про нелинейные резонансы не знал ровным счетом ничего.

Пришлось изучать все с нуля. И не только по книжкам. В то время в ИЯФе существовала замечательная система семинаров. Кто над чем работает, какие у кого результаты, идеи, теории – практически все было открыто, приходи, слушай, учись, обсуждай. Ни в одном институте я такой открытости не видел. А какие были ведущие – Роальд Зиннурович Сагдеев, будущий директор Института космических исследований АН СССР, выдающийся российский физик Борис Валерианович Чириков, Александр Николаевич Скринский, который станет преемником Будкера на посту директора ИЯФ...

Первый такой семинар, на который я попал еще студентом, был посвящен исследованиям термоядерных процессов. Интересно? Еще бы! Я ведь из институтского курса физики только и знал про плазму, что это четвертое состояние вещества. Помню, стоял декабрь, холодина жуткая – те зимы вообще были очень суровые. Докладчиком значился какой-то Сагдеев, я этой фамилии в то время даже и не слышал.

Мы ждали долго, он опоздал минут на тридцать. Входит – рыжий, в валенках, в свитере до колен, берет кусок мела – тогда ведь никаких компьютерных презентаций не было – и начинает рассказывать. И так просто, доходчиво, с самых азов, что я сижу – и все понимаю! Эти выдающиеся ученые старшего поколения умели потрясающе просто рассказывать о самых сложных вещах.

– Про легендарные 1960-е в новосибирском Академгородке осталось много воспоминаний – как интересно жили, какое царило свободомыслие, какие бурные споры разгорались в клубе «Под интегралом»…

Знаете, для меня все это как-то прошло мимо. И клуб «Под интегралом», и нашумевшая выставка художника Павла Филонова, и знаменитое выступление Александра Галича.

Для меня все самое важное происходило в институте – там была вся моя жизнь. Представьте себе: дежурство на ВЭП-1 по двенадцать часов, мы с напарником менялись – один с утра, другой с вечера. Какие тут концерты! Тем более что первые годы я жил в городе и каждый день должен был мотаться в Академгородок. А с транспортом тогда дела обстояли неважно, добирались на чем придется.

Но я вовсе не чувствовал себя обделенным, наоборот! Работа захватывала нас целиком, и в ней мы находили все – и радости, и волнения, и удовлетворение.

Помню, как директор ИЯФа Андрей Михайлович Будкер перед тем, как вечером отправиться домой, любил зайти к нам в пультовую ВЭП-1, поговорить, поинтересоваться, как дела. На ускорителе тогда был установлен канал вывода синхротронного излучения, закрытый стеклом (в то время мы использовали СИ исключительно для диагностики электронного пучка). В этом окошке излучение представлялось ярким светящимся пятном: в нынешних синхротронах используется в основном рентгеновское излучение, но у ВЭП-1 энергия была маленькая, и длина волны СИ лежала в видимой области спектра.

Синхротронное излучение (СИ) – это электромагнитные волны, излучаемые заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в магнитном поле ускорителей. Впервые СИ было получено в 1947 г. на американском синхротроне компании «Дженерал Электрик», а несколькими годами позже – на советских синхротронах в ФИАН СССР. Для СИ характерны большая ширина спектра излучения – от инфракрасного до жесткого рентгеновского, высокая степень направленности и поляризации, периодичность в наносекундном масштабе и, наконец, большая мощность.
Поначалу это излучение считалось «паразитным», так как приводило к значительным потерям энергии, однако позже оно превратилось в эффективный и универсальный инструмент познания мира. Интенсивность СИ в миллионы раз больше, чем у обычных рентгеновских источников, а возможность выбрать длину волны для каждого эксперимента позволяет использовать его для исследований практически во всех областях науки: от геологии и материаловедения до химии и биологии

Сам этот луч всегда очень впечатлял наших гостей. А Будкеру он, казалось, доставлял просто какое-то физическое удовольствие. Он всякий раз просил нас накопить ток, поднять энергию и вывести максимально яркий пучок. Расстегнув рубашку, он направлял его себе прямо на живот, на белую майку. А потом стоял и на него любовался. И никто не находил такое поведение ни странным, ни смешным – наоборот, относились с пониманием, ведь этот первый ияфовский ускоритель на встречных пучках был любимым детищем Будкера.

Вообще пультовая была для нас не просто местом работы. Так же, как на знаменитых будкеровских «круглых столах», там кипели научные споры, обсуждались новые идеи – только еще более демократично, стихийно, без рамок и регламентов. Мы все учились в пультовой – мое поколение и те, что приходили позже.

И праздники по поводу всех важных институтских событий тоже устраивали здесь. Помню, как отмечали первый пучок, полученный на новой установке: все собирались в пультовой, открывали шампанское, разливали его по кружкам и стаканам, а потом расписывались на бутылке.

Этих памятных бутылок за много лет скопилась целая коллекция – в последний раз в прошлом году мы так праздновали запуск нового ондулятора на лазере на свободных электронах.

– Геннадий Николаевич, а как СИ из «паразитического» излучения, возникающего при ускорении частиц, превратилось в инструмент для фундаментальных и прикладных исследований?

Первый такой эксперимент провели в Германии на импульсном ускорителе DESY в 1971 г.: сделали снимок мышцы с помощью жесткого рентгеновского излучения. И выяснилась удивительная вещь: если на обычной рентгеновской трубке этот процесс занимал целые сутки, то на синхротроне – всего 12 минут. Открытие так воодушевило немецких исследователей, что они потом на новом накопителе DORIS уже сразу стали строить специальный бункер для работы биологов.

Раз у немцев получилось, значит, должно получиться и у нас! И вскоре ученые из московского Института молекулярной генетики обратились в Президиум Академии наук со смелой идеей – провести с помощью синхротрона структурный анализ ДНК.

Такая возможность в то время была только у нас в ИЯФ. Договорились, что к нам из Москвы приедет профессор Марк Александрович Мокульский. Специально для его исследований мы сделали на ВЭПП-3 канал вывода рентгеновского излучения.

Нужно было проверить, как работает установка, и самый первый биологический «эксперимент» на нашем ускорителе мы со Скринским провели сами. Я вышел на улицу – благо стояло лето – поймал бабочку, которую мы и подставили под пучок на ВЭПП-3. Бабочка вся засветилась – и умерла. Установка работала как надо.

Потом, спустя пару лет, я был в Гамбурге на DESY и показал там наши первые в мире снимки ДНК, сделанные на синхротроне. Немцы остались под большим впечатлением и даже попросили оставить им эти снимки «на память».

– С того первого вашего «эксперимента» с бабочкой прошло полвека. И все это время на синхротронах ИЯФа работали биологи, геологи, химики, физики, медики. Какие из экспериментов больше всего запомнились?

Одним из самых первых был цикл исследований по рентгеноструктурному анализу мышцы. Помните, как немцы сделали снимок мышцы за 12 минут? Когда мы в конце 1970-х в дополнение к источнику синхротронного излучения сделали еще и фокусировку пучка СИ, снимки стали получать за 1 секунду. Чувствуете разницу?

Но и это еще не все. После того, как мы установили рентгеновский однокоординатный детектор, картинку удавалось делать уже за 2 миллисекунды! К нам приезжала работать команда ученых из Института биологической физики, так они при этой скорости съемки сумели снять целое «кино» – как меняется структура мышцы в процессе сокращения.

Очень интересным был цикл работ по элементному анализу лунного грунта. Ученые из московского Института геохимии и аналитической химии изучали и сравнивали образцы, полученные американскими астронавтами и нашими лунными станциями. При этом у американцев этого грунта было чуть ли не полтонны, а у наших – всего несколько сот граммов. Поэтому нам пришлось разработать методику очень точных измерений очень малых количеств вещества.

И теперь я в шутку говорю, что мы тогда раз и навсегда доказали: американские астронавты действительно были на Луне. Подтверждено на ВЭПП-3.

Хотя, конечно, образцы изучались совсем не для этого. Задачи были куда серьезнее – например, проверить некоторые гипотезы образования нашего естественного спутника. Например, что Земля и Луна когда-то были одним небесным телом. И исследования, проведенные на ВЭПП-3, эту версию косвенно подтвердили. Как показали анализы грунта, наша планета и ее спутник сделаны из одного «теста» – состав пород очень схож, ничего принципиально нового на Луне не обнаружено.

Что касается по-настоящему выдающихся достижений, то тут надо вспомнить пионерные работы новосибирских ученых из Института физико-химических основ переработки минерального сырья (ныне Институт химии твердого тела и механохимии), которые в 1970-х гг. первыми решили использовать СИ для изучения процесса протекания химических реакций.

Обычная рентгеновская трубка позволяла рассмотреть структуру вещества до начала и после реакции. А вот проследить само ее течение в то время не удавалось никому. Идею предложил Владимир Вячеславович Болдырев, директор института. Начали с довольно простой реакции – с самовоспламеняющегося синтеза, своего рода горения в смесях порошков, где тепло передается от слоя к слою путем теплопередачи.

Эта работа положила начало новому направлению исследований. В то время съемка шла с разрешением в доли секунды, потом в милли- и микросекунды, а сейчас мы сделали детектор, который обеспечивает смену кадра каждые 50 наносекунд. Такая скорость позволяет изучать уже детонационные и взрывные процессы – эти работы интересны уже не только химикам, но и гидродинамикам, и физикам из ядерных центров.

Еще один прорыв совершили в 1970-х гг. исследователи из новосибирского Института катализа. Для изучения структуры катализаторов они использовали метод EXAFS-спектроскопии, позволяющий измерять межатомные расстояния в некристаллических объектах. Собственно, сама эта идея достаточно давняя, советские ученые пытались это делать еще с помощью рентгеновских трубок, но безуспешно. И вот появление синхротронов позволило к этой идее вернуться.

Новый метод исследования материалов с помощью синхротронного излучения вывел синтез катализаторов на новый уровень. Теперь при создании и совершенствовании катализатора можно на каждом этапе отслеживать, как меняется его структура, и уже в зависимости от результатов корректировать процесс. Неудивительно, что сейчас Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН выступает как застройщик и заказчик центра коллективного пользования «СКИФ» – источника СИ 4-го поколения.

– Известно, что вплоть до развала Советского Союза мы были мировыми лидерами в генерации и использовании синхротронного излучения. По каким позициям нам удавалось обойти западных коллег?

Что касается мирового лидерства, это действительно так, причем обеспечивал его стране именно наш ИЯФ. Например, на ВЭПП-3 мы сделали первую в мире сверхпроводящую «змейку» – так называемый вигглер, источник с последовательностью коротких сверхпроводящих магнитов, который заставляет электроны двигаться не прямо, а зигзагообразно. Это дало нам возможность увеличить интенсивность и яркость рентгеновского излучения сразу в 200 раз.

Сейчас наши сверхпроводящие вигглеры, сделанные командой Николая Александровича Мезенцева, стоят на ускорителях во многих странах – США, Англии, Австралии, Бразилии, Японии…

Еще одна наша гордость – ондулятор на постоянных магнитах, и его более продвинутая версия – гибридный ондулятор, созданный Николаем Александровичем Винокуровым. Помнится, как однажды к нам международную конференцию приехал Герман Винник – один из руководителей программы работы с СИ в США. И обрадовал меня, по его словам, «чудесной новостью»: «Клаус Хальбах (а это известный американский физик, автор пионерных исследований в области магнитной сборки) предложил идею гибридных ондуляторов. У меня с собой чертежи, могу тебе показать». Я посмотрел и сказал: «Знаешь, Герман, пойдем-ка лучше я тебе покажу, как такой ондулятор работает у нас на ВЭПП-3».

В конце 1980-х мы построили первый в мире лазер на свободных электронах, который давал излучение с рекордно короткой длиной волны, – практически это была первая такая установка, генерирующая излучение в УФ-диапразоне. После чего в течение десяти лет нигде – ни в США, ни в Европе, ни в Японии – не могли побить наш рекорд. Для науки это огромный срок. Представляете, насколько мы всех обогнали?

А потом случились 1990-е, и этот разрыв стал стремительно сокращаться. За рубежом в источники синхротронного излучения начали вкладывать огромные деньги, а российская наука осталась без средств, и мы довольно быстро из лидеров превратилась в отстающие. Одна за другой появлялись мощные установки – в Гренобле, Гамбурге, Аргоннской национальной лаборатории в США. Причем это были источники уже третьего поколения. А мы в России так и «застряли» на втором.

Когда-то к нам в ИЯФ приезжали работать ученые из Венгрии и Чехословакии, Англии и Франции. Особенно много исследователей было из ГДР, у них тут даже партийная организация своя образовалась. И спустя годы, когда эта страна уже исчезла с политической карты, ко мне на международных конференциях подходили директора известных германских синхротронных центров и говорили: «О, Геннадий, мы так вам благодарны – вы такие прекрасные кадры для нас подготовили!»

– Не обидно было это слышать? Ведь, по сути, эти центры достигли своего нынешнего уровня, во многом опираясь на опыт ИЯФа.

Добавим: и благодаря нашим разработкам. Как я уже говорил, во всем мире сейчас работает порядка 50 наших сверхпроводящих вигглеров. По этим устройствам мы до сих пор остаемся мировыми лидерами, потому что таких параметров не может обеспечить больше никто. То же самое можно сказать и про наши ондуляторы. Мы поставляли их в Аргоннскую лабораторию и Университет Дьюка в США, в современные центры СИ Англии, Франции, Канады…

– Получается, что все эти годы вы работали на развитие западной науки в области синхротронного излучения?

А это как посмотреть. Я бы сказал, что мы, наоборот, за чужие деньги развивали и совершенствовали собственные технологии. Зарабатывая на продаже оборудования, мы поддерживали уровень отечественных разработок и оттачивали свое мастерство. Производя устройства для зарубежных источников 3-го поколения, мы не только выживали, но и готовили задел для российской науки на будущее.

Как видите, эта стратегия в итоге оправдалась: в ЦКП «СКИФ», который строится сейчас в наукограде Кольцово, будут работать сверхпроводящие вигглеры и сверхпроводящие ондуляторы, сделанные в ИЯФе. И «СКИФ» – это уже источник 4-го поколения.

– А что означает – 4-е поколение, да еще с плюсом?

Есть такой параметр, о котором я уже говорил, – спектральная яркость источника, равная числу фотонов, излучаемых в единицу времени, в единицу телесного угла с единицы площади. Чем ярче источник излучения, тем лучше. Теоретически можно достичь яркости, просто наращивая мощность. Но тогда вам понадобятся десятки и сотни мегаватт, что нереально.

Но ту же самую яркость можно получить, уменьшая размер электронного пучка. В источниках второго поколения он был большой – 100, 200 микрон. Потом научились его сужать до 20 мкм – так появилось третье поколение. А четвертое – это уже масштаб 2 мкм. И мы сможем его получить благодаря нашим сверхпроводящим вигглерам и ондуляторам.

Сейчас в мире источников четвертого поколения, по сути, нет. Шведы со своей установкой MAX-4 максимально к нему приблизились, но и у них эмиттанс (объем фазового пространства) электронного пучка в три раза больше, чем по расчетам будет на нашем «СКИФе». Соответственно, и яркость у нас должна быть на порядок выше.

Однако радоваться тому, что мы вновь окажемся «впереди планеты всей», рано. Многие западные страны в ближайшее время уже планируют создание новых суперускорителей. В Германии, например, это будет PETRA IV – мощный источник рентгеновского СИ, по сути, рентгеновский 3D-микроскоп, который позволит исследовать объекты и процессы в наномасштабе. Шансы всех обогнать есть у Китая, где полным ходом идет строительство источников 4-го поколения, причем сразу в двух городах – в Пекине и Шанхае. Китайцы за последние годы просто фантастически продвинулись в ускорительной технике.

Так что у нас с нашим «СКИФом» задача сейчас – просто уложиться в заданные сроки и расчетные параметры. Не для того, чтобы всех опередить, а чтобы не отстать. А как это будет называться – 4-е поколение или «4+» – непринципиально. Кстати «плюс» означает только то, что в дополнение к источнику СИ планируется еще поставить лазер на свободных электронах.

– Каковы перспективы развития источников СИ? Пучок будет становиться все меньше и все ярче?

Нет, есть предел, меньше которого электронный пучок делать бессмысленно, поскольку размер будет определяться самой длиной волны. Дальше начнутся дифракционные эффекты. Так что возможности ускорителей небезграничны. Но научный прогресс это не остановит. Есть другие методы и другое оборудование, которые будут работать и откроют новые возможности, – например, рентгеновский лазер на свободных электронах.

В свое время наша группа – Скринский, Винокуров и я – предлагали еще один вариант – новый рентгеновский источник на базе ускорителей-рекуператоров. Там можно было бы получать предельно малый эмиттанс – гораздо меньше, чем в источниках 4-го поколения. Когда электронный пучок вращается в магнитном поле накопителя, эмиттанс за счет диффузии элементарных частиц увеличивается. Поэтому надо уйти от вращения – и такую возможность дают ускорители-рекуператоры.

Это совершенно отдельная, очень перспективная область, которую мы начали развивать двадцать лет назад. К сожалению, продолжения это практически не получило – задача оказалась технически непростая, да и синхротронное излучение из накопителей электронов далеко еще не исчерпало своих возможностей. Наш источник на базе ускорителя-рекуператора – это уже следующий шаг. И значит, время для него еще настанет.

– Первые источники СИ появились почти 60 лет назад, и все эти годы – по сути, всю свою жизнь – вы занимались синхротронным излучением. Получается, вы стояли у самых истоков этого направления в физике.

Получается, так. Думаю, нас таких во всем мире пара десятков человек. Мне действительно повезло оказаться в нужном месте в нужный час. Но на самом деле любая случайность – это только шанс, который нам дает судьба, а делает выбор и определяет свой путь в конечном итоге сам человек.

Мне повезло и в том, что довелось работать с уникальными людьми. Это было поколение победителей: они одержали победу над фашизмом, запустили в космос спутник, создали атомную бомбу, построили в тайге научный центр. Они жили с ощущением, что нет ничего невозможного. Таким был академик Будкер, директор ИЯФа. Таким был профессор Лыщинский, ректор НЭТИ. И мы, младшее поколение, рядом с ними тоже учились, как они, верить в свои силы, в возможности науки и в будущее, для которого мы работаем.

– А как вы сейчас оцениваете будущее российской науки? В последние тридцать лет она переживает не лучшие времена. «СКИФ» – хорошо, но одного его мало…

Я вижу, какие достижения демонстрирует наш институт – порой даже вопреки отсутствию финансирования и внимания со стороны государства. Я вижу, каких высот достигают наши ребята за рубежом – как специалисты они востребованы во всем мире. Не буду всех перечислять, назову только одно имя – Женя Салдин, бывший сотрудник ИЯФа, который в свое время выдвинул идею создания рентгеновского лазера на свободных электронах. Потом он уехал в Германию, где ее и реализовал. Сейчас он считается одним из претендентов на Нобелевскую премию по физике. А учился и начинал свою научную карьеру здесь, в Академгородке.

Если у нас вырастают такие таланты, если российское образование дает такую мощную подготовку – как можно не верить в будущее отечественной науки?

Что касается «СКИФа», то это не такая уж и малость, его роль – способствовать развитию других наук: физики, химии, биологии, медицины. Дать им новую методологию и новый инструментарий.

– А у вас самого никогда не возникало желания уехать за рубеж и там строить научную карьеру? Может быть, она сложилась бы еще успешнее?

Нет, не возникало. Я счастлив здесь. Я всегда занимался любимым делом. Мне повезло с семьей, я окружен друзьями и просто хорошими людьми.

Конечно, оглядываясь назад, я вижу, что многое из того, что мог и хотел, я не успел и, наверное, уже не успею сделать. Были идеи, которые так и остались нереализованными, были перспективные направления, которые пришлось оставить «на потом». Но ведь нельзя объять необъятное. Значит, этим будет заниматься уже новое поколение физиков. Мы для них задел оставили.

25 января 2020 г. академику Геннадию Николаевичу Кулипанову исполняется 80 лет. Редакционная коллегия и редакция журнала «НАУКА из первых рук» поздравляют юбиляра и желают ему здоровья и долгих лет плодотворной работы!