Прошлое и будущее масс-спектрометров

Масс-спектрометр — прибор, без которого невозможно представить работу огромных сублиматных и разделительных заводов и всего ядерного оружейного комплекса. Минсредмаш был мировым лидером в создании масс-спектрометров, после распада Союза это направление чудом уцелело, а сейчас снова на подъеме. Главный эксперт ВНИИНМ подготовил для «СР» материал о прошлом и будущем отечественного масс-спектрометрического приборостроения.

В атомной отрасли первой масс-спектрометрической задачей стало разделение изотопов урана и плутония для ядерного вооружения. Второй — разделение изотопов водорода для создания термоядерного заряда. Чуть позже потребовались масс-спектрометры для разделительно-сублиматного производства и топливных заводов.

Семья Галлей

У истоков этого направления стоял Ростислав Галль из Специального конструкторского бюро аналитического приборостроения Академии наук (сейчас — Институт аналитического приборостроения, ИАП РАН). Он был конструктором первых отечественных масс-спектрометров, под его руководством в 1950–1960-е годы были созданы серийные приборы для изотопного анализа урана, водородно-гелиевых смесей. К сожалению, Ростислава Галля уже нет с нами, но его супруга Лидия и сын Николай по-прежнему крупнейшие разработчики масс-спектрометров в мире. Кроме ИАП масс-спектрометрами занимается Физико-технический институт им. Иоффе РАН, конструкторское бюро «Спектрон-аналит», НИИТФА и ВНИИНМ.

Институт Бочвара — ключевая организация в области атомного материаловедения. Наши специалисты с самого начала принимали участие в разработке технических заданий на приборы масс-спектрометрии, в тестировании. Первый образец прибора для изотопного анализа легких газов был установлен именно во ВНИИНМ.

От Нобелевки до катастрофы

В 1970–1980-е масс-спектрометрия развивается в традиционном, изотопном направлении и в новых — молекулярном (химическом) и элементном анализе. В 1984 году в лаборатории ИАП РАН сделали выдающуюся разработку — новый метод анализа растворов нелетучих веществ, к которым относятся практически все биоорганические химические соединения (биомолекулы и биополимеры). Метод существенно расширил область применения масс-спектрометрии, в частности, ее стали использовать в медицине, биотехнологии и фармакологии. Кстати, много лет спустя, в 2002-м, метод отметил Нобелевский комитет. Правда, премию вручили не за создание — российским ученым, а за развитие метода — американскому химику Джону Фенну.

Справка

Масс-спектрометр — прибор, определяющий, какие химические элементы и в каком количестве содержатся в веществе или смеси. Анализирует сложные смеси газов и паров, например природный газ и нефтепродукты, растворы органических и неорганических соединений, медикаменты, биологические объекты, любые конструкционные и функциональные материалы (проводники, полупроводники, диэлектрики, стекла, органические полимеры и пластмассы), полезные ископаемые, радиоактивные материалы и ядерное топливо, специальные неядерные материалы и многое другое.

После распада Советского Союза масс-спектрометрическое приборостроение из-за губительной политики государства потеряло практически все основные кадры. К концу 1990-х годов казалось, что наша страна утратила не только лидерство, но и возможность продолжать разработки. В Минатоме создалась критическая ситуация с аналитическим обеспечением: парк масс-спектрометрических приборов устарел, а импортные приборы были слишком дороги.

Взлет, кризис, взлет

В 1998 году в Зеленогорске состоялось судьбоносное совещание, после которого Минатом запустил целевую программу разработки специализированного масс-спектрометрического оборудования нового поколения. Для ее выполнения была собрана команда виднейших масс-спектрометристов, они разработали комплекс приборов для изотопного анализа тяжелых элементов. Сверх того был сделан универсальный хроматомасс-спектрометр для анализа сложных смесей газов и паров легколетучих жидкостей, востребованный в медицине, экологии, фармакологии, промышленных технологиях, а также времяпролетный масс-рефлектрон для анализа нелетучих биополимеров методом электроспрея, он нашел применение в биологии и медицине.

К сожалению, на этом разработка масс-спектрометров в России опять прекратилась, хотя осталось немало нерешенных задач. В частности, задача изотопного анализа водородно-гелиевых смесей, важная для учета и контроля специальных неядерных материалов — трития и дейтерия. Сейчас, кстати, они востребованы не только в военной отрасли, но и в качестве топлива для перспективных термоядерных установок. Термоядерщикам надо контролировать изотопный состав очень сложных смесей, в которые входят изотопы водорода и гелий.

Коллектив ученых ИАП, ВНИИНМ, НИИТФА и других организаций в начале 2000-х предложил разработать прибор для изотопного анализа водорода, но безуспешно: не нашлось финансирования. Лишь спустя 10 лет вернулись к этой идее. В 2014 году по инициативе специалистов ТВЭЛ и ВНИИНМ после большого перерыва возобновились совещания, посвященные масс-спектрометрии. Свежий взгляд на старую проблему позволил специалистам ИАП РАН предложить изящное решение задачи изотопного анализа легких газов.

Есть идея

Лидия Галль включила в качестве одного из элементов для разделения изотопов по массе магнитную призму. Когда пучки ионов попадают в магнитное поле специальной конфигурации, они расщепляются. А чтобы сфокусировать каждый пучок на детекторе и измерить массу и заряд, надо дополнительно поставить электростатическую линзу. Схема поистине революционная, никто в мире до этого не додумался. Лидия Галль собрала коллег, многие из них уже работают за границей. Вдохновленные ее идеей, первые этапы НИОКР специалисты провели на собственные средства. Затем мы убедили «Росатом» выделить деньги, ведь такой прибор просто необходим для учета и контроля дейтерия и трития.

В классическом варианте масс-спектрометр для изотопного анализа водорода весил 2 т, новый весит около 200 кг, он мобильный, гораздо дешевле аналогов и проще в изготовлении. МИ 40 «Тритиум» был готов в прошлом году, он находится во ВНИИНМ, мы готовим методику анализа. Организаций, которым понадобится этот прибор, не так много. Но сам принцип включения призмы открывает возможность для создания целого семейства приборов. Они понадобятся, например, медикам для идентификации веществ в выдохе человека — так диагностируют некоторые заболевания. Например, патогенную бактерию helicobacter pylori, живущую в желудочно-кишечном тракте, можно обнаружить по изотопному составу выдыхаемого углекислого газа.

Второй прибор, созданный в пору ренессанса отечественного приборостроения, — МИ 20 LowMass для определения ультрамалого количества бериллия. Раньше методов экспресс-анализа воздуха в помещениях, где работают с бериллием, не существовало, а это очень токсичное вещество, нужен постоянный контроль. Но выяснилось, что прибор может выполнять еще одну важную функцию — проводить изотопный анализ лития. Предприятия «Росатома» как раз разрабатывают экологически чистую технологию разделения изотопов этого металла для получения лития 7. Он используется в системе охлаждения атомных реакторов. Кроме того, литий 7 почти не поглощает нейтроны и рассматривается как компонент расплава солей в жидкосолевом реакторе, предназначенном для трансмутации радиоактивных отходов.