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.

Портреты корифеев и основателей НИЛ КМ от Тамары Рудницкой (ТФПМ): Чирков А.К. (зав. Каф. ТФ, основатель НИ КМ), Витюков А.Д., Скроцкий Г.В. (основатель каф. ТФ), Балдин В.И., Филатов А.И., Испытания оверхаюзеровкого датчика на радикале гальвиноксиле (Филатов, Балдин, Сапунов), Настройка магнитометра противолодочной обороны (Степанов А.П., Стоцкий В.М., Филатов А.И.)

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.

Второе поколение лаборатории: Владимир Александрович Сапунов (зав. НИЛ КМ, 1988 – н.в.), Дмитрий Владимирович Савельев (с.н.с., 03.09.1966 – 24.01.2019), Алексей Юрьевич Денисов (в.н.с., доцент ТФПМ), Сергей Евдокимович Киселев (н.с.)

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. 

Будущий член-корреспондент Игорь Некрасов испытывает первый градиентометр MMPOS-2, н.с. Василий Савельев с многоканальной сборкой POS (грант МНТЦ), Михаил Попков и Ольга Денисова (доцент ТФПМ)на конференции IAGA-2004 (Япония).

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.

Новый магнитометр POS, датчик скважинного магнитометра. Векторный оверхаузеровский магнитометр POS-4 в подземной обсерватории ZAMG в Австрии.

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.

Андрей Фёдоров и Дмитрий Миллюков готовят четырехканальный скалярный градиентометр к сканированию морского участка газопровода, Андрей Сергеев демонстрирует магнитометры на Международном форуме и выставке промышленности и инноваций "Иннопром", Евгений Нархов проводит микромагнитную съемку места падения метеорита «Челябинск LL5» на озере Чебаркуль.

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.