Меняем лампы на коллайдерах

Виталий Сараев
28 июня 2013, 09:31

Первые транзисторы появились еще в 20-е годы прошлого века. К 1990-м они вытеснили вакуумные лампы практически из всех устройств: радио- и телеприемников, усилителей, — а также легли в основу создания современных компьютеров. Последние лампы остались лишь в эстетских аудиоусилителях и, как ни странно, символах передовой физической мысли — ускорителях частиц, где они выступают в качестве источника излучения для разгона заряженных частиц. Даже на Большом адронном коллайдере используются клистроны — многоэлектродные электронные лампы. Причиной тому высокая требуемая мощность. В импульсе источник должен давать излучение мощностью до мегаватта, поэтому лампам замены не было. Транзисторы были не в состоянии выдержать импульс достаточной мощности в необходимом диапазоне. Компания Siemens решила довести транзисторную революцию до логического конца и захватить рынок оборудования для коллайдеров. Ключевая роль в этой задаче отведена команде русских инженеров.

Рисунок: Константин Батынков

Первые транзисторы появились еще в 20-е годы прошлого века. К 1990-м они вытеснили вакуумные лампы практически из всех устройств: радио- и телеприемников, усилителей, — а также легли в основу создания современных компьютеров. Последние лампы остались лишь в эстетских аудиоусилителях и, как ни странно, символах передовой физической мысли — ускорителях частиц, где они выступают в качестве источника излучения для разгона заряженных частиц. Даже на Большом адронном коллайдере используются клистроны — многоэлектродные электронные лампы. Причиной тому высокая требуемая мощность. В импульсе источник должен давать излучение мощностью до мегаватта, поэтому лампам замены не было. Транзисторы были не в состоянии выдержать импульс достаточной мощности в необходимом диапазоне. Компания Siemens решила довести транзисторную революцию до логического конца и захватить рынок оборудования для коллайдеров. Ключевая роль в этой задаче отведена команде русских инженеров.

Второе пришествие

Siemens в нашей стране не новичок. Первый контракт на поставку пишущих телеграфов в Россию был заключен еще в 1851 году. Российский рынок выручил компанию во время серьезного кризиса после потери ею всех заказов от телеграфного ведомства Пруссии. И до 1860-х оборот российского офиса даже превышал показатели берлинского. В 1883 году Карл Сименс приобрел лицензию на использование в России ламп Эдисона и построил в Санкт-Петербурге первую фабрику по производству соответствующего оборудования — кабелей, ламп, переключателей. На заре эпохи электричества Siemens был основным поставщиком в Россию динамо-машин и электродвигателей, участвовал в пуске трамвайных линий и построил несколько заводов и электростанций. Звездное время российского направления было перечеркнуто Первой мировой. В 1916 году вся собственность компании в России была национализирована. Эта тема до сих пор табу в компании, и на нетактичные вопросы сотрудники отвечают молчанием и скорбным выражением лиц. Однако разрыв был недолгим: советская власть вскоре возобновила отношения с компанией, а в годы индустриализации СССР стал крупнейшим покупателем из всех когда-либо имевшихся у Siemens.

Сейчас ассортимент поставок в Россию весьма широк — от автоматизированной системы управления дамбой в Санкт-Петербурге и высокоскоростных поездов до оснащения Большого театра. Но открывать свои производства на территории России Siemens до сих пор не спешил. И причиной тому не только 1916 год. Сейчас Россия уже не самый большой рынок сбыта из 190 стран, где работает Siemens. Его оборот в России, Белоруссии и Центральной Азии в 2012-м финансовом году менее 1,9 млрд евро при общей выручке 78,3 млрд евро. Поэтому у Siemens в России пока лишь два своих завода по производству трансформаторов и высоковольтного оборудования и несколько СП. Но уже на несколько ближайших лет инвестпрограмма составляет около 1 млрд евро, включает в себя создание более десятка новых производств и 4 тыс. квалифицированных рабочих мест. А 17 июня состоялось открытие нового научно-исследовательского центра, первый проект которого — разработка транзисторного генератора высоких частот. Он стал первым проектом в кластере ядерных технологий технопарка Сколково.

Мистер Полихов и профессор Хайд

На самом деле работа над проектом ведется уже давно, и «Эксперту» удалось побывать в лаборатории еще задолго до ее официального открытия. Самое удивительное в ней — атмосфера. Несмотря на солидность компании и устоявшиеся представления о немецкой приверженности регламентам, в исследовательском центре, скорее, возникает ощущение студенческого стартапа: большинство сотрудников очень молоды, график свободный, отношения дружеские, а руководитель проекта Степан Полихов на вид простой русский мужик в клетчатой рубахе навыпуск. Эта атмосфера — предмет особого старания и гордости руководства Siemens.

Есть стереотип, что в России — сумасшедшие ученые с гениальными идеями, а за рубежом — навыки успешной коммерциализации. В этом проекте все наоборот — связка фонтанирующего идеями немецкого ученого Оливера Хайда и скептически настроенных, ориентированных на рынок российских инженеров: «Мы давно работаем с профессором Хайдом, зачастую он играет роль идейного вдохновителя. И хотя некоторые его идеи сначала могут показаться неосуществимыми, при более детальном изучении в них обнаруживается рациональное зерно, которое нам удается впоследствии воплотить в коммерческий продукт. В итоге результаты такого сотрудничества устраивают всех», — рассказывает Степан Полихов.

Вопреки принятой в Siemens тендерной системе распределения НИОКР-задач Хайд по старому знакомству передал идею из рук в руки Степану. Причиной тому незначительность проекта: первая цель — рынок источников для ускорителей — оценивается компанией всего лишь в 1 млрд евро в год. Для сравнения: рынок решений для городов, на который также нацелен Siemens, оценивается им в 300 млрд евро в год.

Степан Полихов готов оснащать ускорители 047_expert_26.jpg Фото: Олег Сердечников
Степан Полихов готов оснащать ускорители
Фото: Олег Сердечников

Возможность для разработки появилась, когда компания Infineon начала выпускать силовые транзисторы на основе карбида кремния для IGBT-устройств. Оливеру Хайду пришла в голову идея использовать их для создания твердотельного генератора высоких частот. Для него Infineon перепроектировала транзистор, изменив топологию и уменьшив размеры, чтобы повысить рабочую частоту. Хайд собрал из них «на коленке» модуль на основе карбидокремниевых транзисторов с частотой 176 МГц и получил с него 5 кВт мощности. Задачей команды Степана стало превратить эту идею в коммерческий продукт большей мощности и частоты, разработать его конструкцию и технологию производства, обеспечить надежность и экономичность эксплуатации. И это не так просто.

Степан сжимает в пальцах небольшой транзистор — крохотный плоский квадратик 4 на 4 мм, выдающий 10 кВт мощности. Этот транзистор используется в импульсном режиме, длительность каждого импульса лишь несколько сотен микросекунд. Но при таких объеме и площади даже это — огромная величина. «Как же он греется?!» — «Жутко!» — отвечает Степан.

Эффективно отводить тепло со столь малой площади — огромная проблема. А сделать транзистор больше по размерам нельзя — это приведет к падению частоты, за которую так боролись его создатели. Поэтому основой рабочего модуля служит массивный медный радиатор, охлаждаемый водой. Сверху накладывается «рабочий бутерброд»: изолятор, проводник, термопаста, которой проводник приклеивается к стоку транзистора. Обычные термопасты обладают слишком малой теплопроводностью. Удалось найти только одну подходящую — немецкой фирмы, которая делает ее практически из чистого серебра с небольшими добавками. Запекать «бутерброд» нужно с высокой точностью соблюдения температуры и давления.

Всего в лаборатории лишь три комнатки, но в них умещается все необходимое для полного цикла производства. В углу первой из них самодельный пресс, развивающий до 7 атм и 200 кг усилия. Пока «бутерброды» запекаются именно на нем по десятку за раз.

Во второй комнатке инженеры и конструкторы рассчитывают и проектируют конструкцию. В систему, предназначенную для ускорителей, заложен принцип легкого масштабирования: она строится из отдельных блоков по 10 кВт, собираемых по 10 штук в стандартную серверную стойку, излучение которых суммируется при помощи объединителей. Степан показывает один из них. На вид это обычная изогнутая медная труба диаметром сантиметров восемь, но расчет ее геометрии занял несколько месяцев. И уже подана заявка на патент на эту конструкцию. «А я лучше получаюсь на фото», — один из молодых авторов трубы пытается влезть в съемку. Приходится его осаживать: «Начальственный чин уже дает неоспоримую фотогеничность».

В последнем помещении, называемом «почти чистым» — там валяется меньше хлама и пылящих бумаг, — мастер собирает платы управления и тут же запекает их. В этих комнатках помещаются все 15 человек инженерного штата ООО «Siemens научно-исследовательский центр». Это оболочка, созданная специально для проекта со Сколковом и являющаяся 100-процентной «дочкой» Siemens. Директором новорожденного юрлица стал директор департамента корпоративных технологий в России Мартин Гитзельс. Получив статус резидента Сколкова, перемещаться на его площадку компания пока не планирует, предпочитая родной материнский офис.

Зачем Siemens на грант позарился

Изначально заявлялось финансирование проекта в равных долях: 150 млн рублей от Siemens и грант в таком же объеме от Сколкова. Позднее выяснилось, что на некоторые затраты, например на медицинское страхование сотрудников, деньги из общего котла направлять нельзя. Подобные траты компания взяла на себя.

Единственное условие предоставления гранта — локализация будущего производства на территории России. В качестве главного кандидата на производственную площадку сейчас рассматривается новосибирский Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера, который имеет большой опыт производства ВЧ-техники. Из 2,9 тыс. его сотрудников 760 — инженеры и техники и 1300 — рабочие, занятые на производстве оборудования. Сборка генераторов от Siemens в первый год создаст 50–100 рабочих мест.

Сотрудники Siemens не скрывают, что этот проект прежде всего имиджевый — стремление обозначить готовность делать в России высокотехнологичную продукцию. И грант от Сколкова не следствие потребности в финансировании: 5 млн долларов на фоне годовых объемов НИОКР компании в 4,2 млрд евро — сумма незаметная. Привлечение Сколкова — всего лишь пиар-ход.

Степан Полихов не боится неприятностей, связанных с получением государственных денег: его не пугает даже традиционное маски-шоу в исполнении ОМОНа с выемкой документов для оценки эффективности расходования казенных средств. Выстроенная система внутреннего контроля действует дотошнее любых внешних проверяющих. А при появлении граждан сурового экстерьера сотрудники, пережившие повышенное внимание правоохранителей, рыщущих по следам коррупции в Минздраве, привычно кивают: «Отдел томографов на четвертом этаже».

Излучение ищет рынок

Самые лакомые по объемам рынки для твердотельного генератора — радары и оборудование для радиоэлектронной войны (радиоэлектронное подавление и противодействие радиоэлектронному подавлению со стороны противника). Но военная техника — рынок весьма специфический, и Siemens пока не готов выходить на него со своей разработкой.

ВЧ-генератор сейчас затачивают под два рынка. Первый — источники ВЧ-излучения для коллайдеров. Этот рынок на порядок меньше военного, но более открыт для инновационных решений и сулит немалую маржу. Уже есть и потенциальные клиенты. На территории Швеции в Лунде сейчас строится European Spallation Source — самый мощный в мире ускоритель частиц. Первоначальная оценка его стоимости — 15 млрд шведских крон (почти 23 млрд долларов).

Для его запуска потребуется 600 генераторов мощностью 400 кВт каждый. Сейчас Степан Полихов рассчитывает выйти на финальную стоимость 2 тыс. евро за киловатт ВЧ-мощности, и контракт со шведами может принести Siemens почти полмиллиарда евро. А покупателям новая разработка позволит снизить энергозатраты на запитку ускорителя в полтора раза. «Заинтересованность шведских коллег настолько высока, что мы уже получили от них официальное предложение об участии в тендере на закупку опытных образцов ВЧ-генераторов. Но Siemens очень серьезно относится к вопросам коммерциализации, поэтому до начала продаж нам необходимо провести анализ рынков, детально проработать бизнес-кейс, полностью наладить процессы изготовления, поставки, обслуживания оборудования, — объясняет Степан. — Надеемся, к концу года нам удастся подготовить и передать потенциальным покупателям первый образец для проведения тестов».

Один из последних этапов — сборка платы контроля 050_expert_26_2.jpg Фото: Олег Сердечников
Один из последних этапов — сборка платы контроля
Фото: Олег Сердечников

Конкуренты тоже не медлят, но пока на установки мощностью свыше 100 кВт замахнулись только французы. Однако на фоне аккуратных стоек Полихова их устройства выглядят устрашающими декорациями из научно-фантастических фильмов.

Второй рынок — устройства получения препаратов для позитронно-эмиссионной томографии. Она позволяет отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных радиоизотопами. Пациент выпивает препарат, содержащий позитрон-излучающие изотопы, такие как углерод-11, азот-13, кислород-15 или фтор-18. И специальный датчик регистрирует пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами. Но источники для получения антиматерии в организме человека нужно готовить непосредственно на месте, поскольку используются короткоживущие изотопы с периодом полураспада от двух минут до двух часов.

Сейчас в таких устройствах используются лампы. Полихов с удивлением рассказывает, что даже в американском Ноксвилле в ПЭТ-системе он встретил лампы производства петербургской «Светланы», а состояние этого предприятия беспокоит потребителей с точки зрения гарантий поставки ламп.

Преимущество ПЭТ-систем на основе транзисторного генератора — его энергоэффективность. Сейчас у Siemens средняя мощность ПЭТ-установки — 12 кВт, а в следующем поколении устройств планируют сделать уже 18 кВт. Эффективность ламповых источников около 40%, поэтому при повышении мощности установки требуется дополнение ее соответствующей системой кондиционирования и прокладка отдельных силовых линий для электропитания всего оборудования. Эффективность транзисторного генератора — 75%, это не только снижает расходы на эксплуатацию, но и позволяет не вкладываться в охлаждение и прокладку новых сетей.

Основные испытания системы для ПЭТ пройдут в течение лета, отдельный модуль уже успешно прошел тестирование, практически завершен монтаж объединителя мощности, сейчас собирается система контроля. «Мы движемся по графику, прошли уже три этапа из шести», — рассказывает Степан. К концу лета планируется изготовить готовый аппарат. Хотя это, в отличие от оборудования для коллайдеров, совсем скромный рынок — Siemens планирует поставлять таких систем не больше двадцати в год по всему миру.

Твердотельный генератор — первый, но не последний проект со Сколковом. Уже подана заявка на следующую задумку — мультифазный расходомер для нефтедобычи, позволяющий учитывать объем полученной нефти в ее смеси с водой и другими примесями. К 2015 году штат ООО «Siemens НИЦ» планируется расширить до 130–150 человек. Редкий случай: Степан не жалуется на отсутствие кадров: «Я сам из МИФИ, пришел на кафедру электрофизических установок и попросил порекомендовать нужных специалистов. Так мы сформировали команду профессионалов».