«Наука находится на ладони государства и согревается теплом этой ладони. Конечно, это не благотворительность, а результат ясного понимания значения науки… При этом государство не может позволить себе играть роль доброго богатого дядюшки, покорно вынимающего из кармана миллион за миллионом по первой просьбе учёных. Вместе с тем скупость в финансировании действительно важных научных исследований может привести к нарушению жизненных интересов государства» (Л. А. Арцимович).
Лев Андреевич Арцимович родился 105 лет назад, 25 февраля 1909 года, в Москве. В 1953 году Арцимовича избирают членом АН СССР, вскоре он становится членом президиума Академии и академиком-секретарём Отделения общей физики и астрономии АН СССР. Наибольшую известность ему принесли работы в области физики высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза, за которые он был удостоен Ленинской и Государственной премий. В своё время его совершенно заслуженно называли «признанным пионером и лидером исследователей в этой области».
Однако (и это надо признать) управляемый термоядерный синтез пока нам так и не покорился. А вот направление исследований Арцимовича, связанное с технологией электромагнитного разделения изотопов, не только успешно завершилось созданием промышленной технологии, сыгравшей важную роль в отечественном атомном проекте, но и породило несколько столь же результативных ответвлений в самых, казалось бы, далёких друг от друга областях: нейтронная интроскопия, межпланетная космонавтика и полупроводниковые технологии. Об этих направлениях работ академика Арцимовича, не столь широко освещаемых, как термоядерные, мне и хотелось бы сегодня поговорить.
Уран
С самого начала «атомного проекта» было ясно, что все усилия разработчиков конструкции ядерного заряда окажутся тщетными, если не будет создана промышленная технология, позволяющая разделять природные изотопы урана U-238 и U-235, последний из которых только и пригоден для изготовления атомной бомбы. (О плутонии речь не шла; запущенный в 1946 году первый реактор мог наработать нужное его количество примерно за два года, а мощные реакторы серийных бомбовых заводов только проектировались.) Альтернативных технологий разделения изотопов известно было три: газодиффузионная (руководитель И. К. Кикоин; на фото ниже — секция установки газодиффузионного разделения),
центробежная (Ф. Ф. Ланге и И. К. Кикоин) и электромагнитная. Возглавить работы по созданию завода, основанного на электромагнитной технологии, И. В. Курчатов в 1944 году предложил Арцимовичу.
В служебной записке Курчатова в адрес Берии говорилось: «Профессор Л. А. Арцимович… очень способный физик, глубокий и лучший в Союзе знаток электронной оптики. В основном он занят сейчас решением вопроса видения в темноте и только часть времени уделяет работам по магнитному способу выделения урана-235. Я считаю необходимым полное переключение его на эту последнюю работу». По сути, проблема, за которую взялся Арцимович, состояла из трёх подзадач: создание мощного (сильноточного) источника ионов, разработка оптической системы для ионных пучков и конструирование приёмника ионов.
Все эти задачи к концу 1945 года были блестяще решены, и 5 ноября получен первый уран-235 в количестве… 70 микрограммов, обогащённый до 12–15% (в природном уране изотоп с массовым числом 235 находится в количестве всего 0,72%). К концу 1946 года удалось довести уровень обогащения до 90% и начать проектирование промышленных установок для секретного завода № 814 (Свердловск-45, на фото ниже — аналогичные установки американского завода в Оук-Ридже).
В четвёртом квартале 1950 года на разделительных установках этого завода был получена первая промышленная партия высокообогащённого урана. Параллельно проводившиеся работы по другим методам разделения (на заводе № 813, Челябинск-40) хотя и демонстрировали значительно большую производительность, но не обеспечивали требуемого уровня обогащения (75% против необходимых 94%). Поэтому для изготовления заряда второй советской атомной бомбы урановый «полуфабрикат» из Челябинска-40 был отправлен на дополнительное обогащение к Арцимовичу.
Изотопы
К 1951 году технологии центрифугирования и газовой диффузии усовершенствовались настолько, что стало ясно: электромагнитные методы разделения изотопов с ними конкурировать не могут, мала производительность. Завод № 814 было решено закрыть, а его технологическое оборудование передать заводу № 418, где организовывался выпуск изотопа лития-6, необходимого для создания водородной бомбы. Все эксперименты по отработке первых двух советских водородных бомб и собственно изготовление их термоядерных зарядов обеспечивались литием, полученным методом электромагнитного разделения изотопов на установках Л. А. Арцимовича.
В настоящее время метод электромагнитного разделения используется для производства сверхчистых изотопов тугоплавких металлов платино-палладиевой группы. Стабильные изотопы около 30 элементов производятся сегодня исключительно этим методом.
Термоядерный реактор на столе
В конце 1950 года на базе мощного ионного источника, разработанного для установки электромагнитного разделения изотопов, была создана первая «нейтронная пушка» — источник нейтронов, работавший, по сути дела, на принципах термоядерной энергетики (на фото ниже — современный прибор такого типа). Принцип действия его заключался в следующем: ускоренный до энергии 200 кэВ поток ионов дейтерия направлялся на титановую мишень, в которую ядра тяжёлого водорода внедрялись вплоть до достижения соотношения водорода в титане 1:1. После этого подбором энергии ускорителя ионов того же самого дейтерия добивались того, что в поверхностном слое легированного водородом титана при столкновении ядер дейтерия проходила реакция образования ядра гелия с выбросом нейтрона.
Мечта об ионном планетолёте
В середине 60-х на базе всё того же мощного источника ионов (на фото ниже) совместной группой отдела плазменных исследований Арцимовича и Особого конструкторского бюро «Заря» был разработан ионный реактивный двигатель с тягой 10 г и ресурсом непрерывной работы 3 016 часов. Этот тип двигателей идеально подходит для длительных космических перелётов автоматических станций.
В 1971 году ионный двигатель «Зефир» был испытан в полёте в составе силовой установки искусственного спутника Земли «Метеор».
p-n-переходы
И, наконец, одними из первых в мире идею ионной имплантации (или ионного легирования), опробованную в работах над «нейтронной пушкой», применили для получения p-n-переходов в полупроводниках сотрудники отдела Л. А. Арцимовича в Курчатовском институте.
В 1963 году там была создана лаборатория ионной бомбардировки (ЛИБ) под руководством В. М. Гусева, которая в короткий срок стала ведущим разработчиком специального технологического оборудования ионной имплантации для выпуска полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
