Нижегородский ученый мирового масштаба
Нижегородский ученый мирового масштаба
Под руководством нижегородского ученого Николая Александровича Демидова, заместителя генерального директора ЗАО «Время-Ч» по научной работе, созданы несколько поколений лучших в мире квантовых водородных стандартов частоты. Эти приборы являются основой большинства государственных служб хранения точного времени как в России, так и за рубежом
Уроженец Нижегородской области Николай Александрович Демидов всю свою жизнь посвятил разработке теоретических и практических принципов создания квантовых водородных стандартов частоты — источников высокостабильных сигналов для хранения единиц времени и частоты. Выпускник физфака Горьковского государственного университета им. Н. И. Лобачевского, ученый долгое время проработал в Нижегородском (Горьковском) научно-исследовательском приборостроительном институте, а с 2010 г. — в ЗАО «Время-Ч». На этом предприятии под его руководством и при непосредственном участии создано научно-производственное подразделение по разработке и промышленному выпуску квантовых водородных стандартов частоты с высокими метрологическими характеристиками. В настоящий момент ЗАО «Время-Ч» является единственным в России экспортером в области точного приборостроения, крупнейшим мировым экспортером квантовых водородных стандартов частоты и единственным в мире предприятием, выпускающим промышленным способом пассивные водородные стандарты частоты. Количество выпускаемых приборов в десятки раз превышает выпуск таких устройств на всех других предприятиях мира.
Технологией водородных стандартов частоты в нашей стране в свое время занимались несколько предприятий в Москве, Ленинграде и Горьком, в том числе Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, головной институт Росстандарта), но наибольшие успехи были достигнуты в горьковском ГНИПИ «Кварц», а в наши дни — в ЗАО «Время-Ч» под руководством Н. А. Демидова, единственного в России и одного из крупнейших мировых ученых современности в этой области науки и техники. На почетном месте ВНИИФТРИ вывешен его портрет.
— Я хорошо помню предшественников современных водородных стандартов частоты: они представляли собой громоздкие сооружения массой в несколько тонн, отдельные части которых приходилось грузить с помощью лебедки. Сейчас масса этих приборов снизилась до нескольких килограммов. Например, водородный стандарт частоты космического применения весит 11,5 килограммов и имеет габариты кухонного бидончика, и такие технические параметры было сложно спрогнозировать еще лет 20 назад, — отмечает генеральный директор ЗАО «Время-Ч», к.т.н. Александр Алексеевич Беляев. — Нижегородская школа пассивных и активных водородных стандартов частоты, созданная и возглавляемая Николаем Александровичем Демидовым, считается лучшей в мире. Так, по метрологическим характеристикам активные водородные стандарты частоты, разработанные и выпускаемые нашим предприятием, являются лидерами на мировом рынке и значительно превосходят по основным характеристикам стандарты частоты наших основных конкурентов. Для пассивных водородных стандартов частоты в перспективе возможно получить суточную нестабильность в районе 8х10 в минус шестнадцатой степени, и это означает, что стандарт частоты за сотни миллионов лет ошибется на одну секунду: такая сверхточность тоже казалась фантастикой, а теперь она вполне достижима. И очень важно снизить массу стандартов частоты, потому что для выведения в космос каждого дополнительного килограмма требуются колоссальные средства.
Задачу точного измерения времени человечество начало решать еще в глубокой древности, и в первую очередь точное время было необходимо мореплавателям для определения их местонахождения. В наши дни задача измерения времени может звучать по-разному. В быту людям вполне достаточно минут, для технологов — долей секунд, для программистов — микросекунд, а для квантовой физики мало даже пико- и фемтосекунд. Особо нужно отметить современную спутниковую навигацию, которой снабжены наши смартфоны. Мало кто знает, что для получения точных путевых координат необходима синхронность шкал времени сигналов всех навигационных спутников точнее, чем в одну наносекунду, то есть миллиардную долю секунды. Такую точность не обеспечат ни лучшие хронометры, ни кварцевые часы: здесь требуются квантовые технологии — использование квантовых переходов в атомах и построение приборов на этой основе. Наша аппаратура позволяет измерять время с наивысшей в мире точностью с погрешностью до 10 в минус шестнадцатой степени, реальна и точность до 10 в минус семнадцатой-восемнадцатой степени. Кроме решения практических задач ЗАО «Время-Ч» занимается и научными проектами. Дело в том, что в современной науке наиболее точно измеряемой физической величиной является частота и ее обратное значение — время, и измерение многих физических величин косвенно сводится к измерению частоты либо времени.
Квантовые водородные стандарты частоты такой точности востребованы в Государственной службе времени и частоты, в космической навигации и наземных средствах ее поддержки, в военной сфере для наведения высокоточного оружия, в радиоастрономии, когерентной радиолокации, в сейсмологии для прогнозирования землетрясений и тектонических подвижек, а также для координации современных цифровых систем связи. В гражданском секторе сверхточность нужна при управлении движением самолетов и высокоскоростных поездов и даже при синхронизации банковских операций. Ждут своего решения задачи синхронизации высокоскоростных систем сотовой связи в формате 5G. На стандарты частоты, разработанные под руководством Николая Александровича Демидова, опираются практически все службы мира, занимающиеся хранением времени. Уникальными комплексами ЗАО «Время-Ч», созданными на базе водородных стандартов частоты, оснащены объекты Росстандарта, расположенные в Подмосковье (ВНИИФТРИ), Иркутске, Новосибирске, Хабаровске и Петропавловске-Камчатском.
Компаний, выпускающих приборы для измерения времени и частоты, в мире немало, однако, конкурентными преимуществами приборов производства ЗАО «Время-Ч» являются более высокие характеристики, длительный срок гарантии и в определенной степени их уникальность. Предприятие поставляет свою продукцию в Индию, Китай, Японию, Республику Корея, Австралию, в страны Европы. Даже Швейцария, где производятся самые лучшие марки часов, каждый год заказывает по 10 приборов.
* * *
По словам генерального директора ЗАО «Время-Ч», на протяжении многих лет одним из приоритетных направлений деятельности компании является разработка аппаратуры для глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС. Предприятие стало участником этого проекта, выиграв тендер Роскосмоса на создание пассивного водородного стандарта частоты («сердца» бортового синхронизирующего устройства ГЛОНАСС, задающего точность измерений), разработало прибор с наилучшим в настоящее время соотношением размеров, веса и точности, отработало его по требованиям Роскосмоса и представило заказчику летные модели. Пассивный водородный стандарт частоты обеспечивает значительно более высокую точность, чем рубидиевые или цезиевые часы, установленные на спутниках системы ГЛОНАСС в настоящее время, и новые часы повысят точность определения координат с помощь системы ГЛОНАСС до 0,3-0,5 метров, а в дальнейшем до 10 см. В 2020 г. наземный комплекс управления системы ГЛОНАСС оснащается базовыми комплексами времени и частоты разработки ЗАО «Время-Ч», совмещенными с аппаратурой рубидиевых фонтанных реперов на ультрахолодных атомах, поставляемой институтом ВНИИФТРИ. Завершение этой программы позволит ликвидировать отставание отечественной навигационной системы ГЛОНАСС от западных и восточных конкурентов — GPS, Galileo и BeiDou.
Следующий проект, который выполняется под руководством Николая Александровича, называется «Миллиметрон». Эта космическая обсерватория миллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн с криогенным телескопом диаметром 10 м в режиме связи с Землей будет работать как крупнейший виртуальный радиотелескоп, способный исследовать структуру ядер галактик, черных дыр, пульсаров, изучать реликтовое излучение, белые дыры и кротовые норы и искать самые ранние следы формирования Вселенной. «Миллиметрон» задуман еще в 1990-е годы, но в связи со сложностью технических задач, многие из которых приходится решать впервые, реализация замысла не раз откладывалась, и запуск «Миллиметрона» намечен после 2025 г. На борту космической обсерватории «Миллиметрон» будут два стандарта частоты разработки ЗАО «Время-Ч» с уникальными характеристиками по стабильности. Макеты стандартов частоты уже готовы, и до конца 2020 г. планируется их адаптация к спутнику. Проект «Миллиметрон» был предложен Астрокосмическим центром Физического института им. П. Н. Лебедева РАН как продолжение и развитие российского проекта «Радиоастрон».
Следующая область применения приборов, разрабатываемых под руководством Демидова, — связь. Сейчас Ростелеком и другие телекоммуникационные компании развивают сетевое хозяйство, и если раньше в нем использовались цезиевые стандарты частоты американского либо швейцарского производства, то ЗАО «Время-Ч» подготовило и аттестовало свое оборудование, превосходящее импортное. Предприятие планирует принять участие в конкурсе Ростелекома на переоснащение сетей.
— Немало перспектив и по активному стандарту частоты, — дополняет Александр Беляев. — У нас все основания полагать, что достижение в водородных стандартах частоты «минус семнадцатого знака» станет сенсацией в научном мире. Академик Сергей Николаевич Багаев, научный консультант Новосибирского института лазерной физики РАН, узнав, что мы ожидаем «минус семнадцатый знак», заверил, что такого быть не может. Но мы уже близки к одному из величайших достижений в области стабилизации времени и частоты. Под руководством Николая Александровича разрабатывается не только физическая часть, но и электроника тоже. Там много своих проблем, но коллектив ЗАО «Время-Ч» способен их решить.
* * *
— В семье моих родителей, простых крестьян, кроме меня росли еще шестеро детей, — рассказывает Николай Александрович Демидов. — Мама не умела ни читать, ни писать, отец закончил всего три класса. А у меня тяга к знаниям проявилась с малых лет, и особенно я стремился понять природу вещей и явлений. В школьные годы к детскому любопытству добавилась еще одна сильная мотивация: ученики, быстро решившие все задания контрольной работы по математике, которая выпадала последней по расписанию, могли не дожидаться конца урока в классе, а идти гулять. Я решал все за пять минут! Наукой заинтересовался и мой брат Василий. Сейчас доктор наук, лауреат Государственной премии Василий Александрович Демидов работает в саровском РФЯЦ-ВНИИЭФ. Из семерых детей в нашей семье два доктора наук. Жаль, сын и внук не пошли по моим стопам, они увлечены компьютерными технологиями. Но я убежден, что компьютер — всего лишь инструмент для решения определенных задач. Гораздо интереснее и важнее докопаться до физической сути вещей.
Разработку квантовых водородных стандартов частоты Н. А. Демидов сочетает со своими многочисленными хобби. Одно из главных его увлечений — горные лыжи, встать на которые ему пришлось довольно поздно, в 65 лет. К этому виду досуга ему удалось приобщить и группу своих более молодых коллег.
— Горными лыжами Николай Александрович увлек нас несколько лет назад, предложив составить ему компанию в поездке в Андорру, — вспоминает Александр Беляев. — Никто из нас, «чайников», ни разу не стоял на горных лыжах, но не принять предложение Демидова мы не смогли. Кто-то на андоррских склонах сразу падал, кому-то удавалось удержаться, но более двух-трех спусков никто из нас не осилил — не хватило здоровья и мастерства. А Николай Александрович был на трассах с утра до вечера все десять дней, легко выдержав колоссальную нагрузку на организм — и лыжи практически профессиональные, и экипировка соответствующая. Как говорится, «нас не догонишь».
* * *
Под научным руководством Н. А. Демидова защищено множество кандидатских и докторских диссертаций, им создана сильнейшая научно-практическая школа по разработке квантовых водородных стандартов частоты, и ученики Демидова развивают это направление.
— В мире огромный интерес к этой тематике, особенно в Китае, и научные конференции собирают тысячи специалистов. Николая Александровича знают во многих странах, приглашают читать лекции, возглавлять секции, — говорит Александр Беляев.
Кстати, Н. А. Демидов — единственный россиянин, удостоенный в 1997 году премии Раби, учрежденной Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), за успехи в разработке водородных стандартов частоты. Премия названа в честь американского физика, лауреата Нобелевской премии 1944 г. Исидора Айзека Раби и вручается за выдающийся вклад в области квантовой электроники. Кроме того, Николай Александрович является лауреатом Государственной премии СССР (1983), академиком Метрологической академии, удостоен знака «Почетный радист». Награжден медалью ордена «За заслуги перед отечеством» II степени, юбилейной медалью «300 лет Российскому флоту», медалью «За заслуги в деле изобретательства». В 2006 г. за большой научно-практический вклад по созданию системы синхронизации радиоинтерферометрического комплекса «Квазар-КВО» Н. А. Демидову была объявлена Благодарность Президента Российской Федерации.
— Все эти должности и звания — ничто по сравнению с тем, что сделано Николаем Александровичем в технической области. Я долго не понимал, почему другим научно-производственным организациям всего мира, занимающимся той же научной проблематикой, не удалось добиться столь выдающихся результатов, как нашему коллективу. А ответ простой. Дело в том, что у них все разделено: один человек рисует, второй выводит формулы, третий занимается химией, четвертый — вакуумом, и собрать все это в единое целое непросто. Наше преимущество заключается в том, что все эти компетенции сошлись в одном человеке, в Николае Александровиче Демидове. Стараясь понять физическую суть вещей, он получил обширные знания в разных областях: в квантовой физике, СВЧ‑технике, материаловедении, сверхвысоком вакууме, химии, низкотемпературной плазме, в конструкторской работе, в инженерии. Целый НИИ в одной голове! И к технике у него тяга — любит разобраться с какой-либо новинкой, что-то изобрести, может своими руками построить дом и сделать ремонт. Понимание физической сути вещей пригодилось Николаю Александровичу в разных сферах деятельности, — резюмирует Александр Беляев.
