Учебно-научный центр Фундаментальная радиофизика.
Три года работы
С.Н.Гурбатов, А.В.Якимов
Радиофизический факультет ННГУ
I. Введение
Мысль о том, что развитие образования, и в особенности высшего, невозможна без тесной связи с современной наукой, проходит красной нитью во многих выступлениях и статьях, обсуждающих проблемы реформы, как высшей школы, так и науки. При обсуждении концепции организационно-экономической реформы системы образования ректор МГУ В.Садовничий высказался (Поиск, 39, 1997), что реформа, безусловно, нужна, но "мы должны преобразовываться потому, что наша система должна быть лучше", а не только в силу экономических причин, и тем более не ради преобразования ради преобразования. При этом он отмечал, что, "наша (российская) система уникальна тем, что основой ее была фундаментальная наука".
Исторически сложилось так, что в России академические и ведущие отраслевые научные институты были сосредоточены в относительно небольшом количестве крупных городов. В этих городах и вузы имеют квалифицированный преподавательский состав, который активно занимается наукой, и связи между НИИ, промышленностью и вузами традиционно крепки. Поэтому широко распространенное мнение о том, что на последних курсах вузов должны в основном преподавать люди с производства, ведущие специалисты из разных фирм, научных учреждений, должно быть применительно к этим вузам заменено на более общее положение о том, что обучать студентов имеют право лишь те, кто активно занимается наукой, владеет современными технологиями, хорошо знает производство. А это и преподаватели вузов, и научные сотрудники из институтов, и производственники. Безусловно, что значительную часть своего времени студенты должны проводить в прямых контактах с учеными из НИИ, специалистами с производства. Формы приобщения студентов к современному состоянию дел могут быть самые разнообразные. Это спецкурсы, лабораторные работы, курсовые и дипломные работы. Особенно это относится к естественным и инженерным наукам. Современная наука и, в особенности, физика развивается на базе дорогостоящих уникальных установок. Эти установки создавались во времена, когда финансирование науки было существенно выше. Создание установок такого класса в настоящее время практически невозможно, даже на национальном уровне. Поэтому проведение многих исследовательских и лабораторных работ студентов возможно только на установках, находящихся в НИИ.
Нижний Новгород относится к числу тех городов, где имеются крепкие связи между образованием и наукой в области физики, химии. Ниже мы расскажем об опыте обеспечения образования в области радиофизики, о взаимодействии с наукой, а также о создании учебно-научного центра Фундаментальная радиофизика.
II. Из истории развития нижегородской школы радиофизики
Характерной особенностью нижегородской радиофизической школы является традиционная, установившаяся еще в 20-е годы, тесная связь науки с высшим образованием. Решение об организации специального Радиофизического факультета для подготовки специалистов в области радиофизики для научно-исследовательских институтов и заводских лабораторий радиолокационной и электровакуумной промышленности было принято Советом народных комиссаров СССР сразу после окончания второй мировой волны, 29 июня 1945 года. Уже в те годы военная доктрина стала строиться на сращивании технического и научного потенциала армии, страны. Легко объяснить, почему местом рождения радиофизического факультета стал именно Нижний Новгород. Уже тогда город был одним из крупнейших центров радиоэлектронной промышленности. Со времени знаменитой Нижегородской радиолаборатории (1918-1928) здесь жили и работали ученые, известные своими трудами по теории колебаний, статистической радиофизике, распространению радиоволн, электродинамике и электронике сверхвысоких частот: В.П.Лебединский, М.А.Бонч-Бруевич, В.П.Вологдин, А.А.Пистолькорс.
Начало 30-х годов ознаменовали своим приездом в Нижний Новгород московские ученые: А.А.Андронов, В.И.Гапонов, М.Т.Грехова, Е.А.Леонтович, Г.С.Горелик. Ученики академика Д.И.Мандельштама, они хорошо понимали, что слова наука и научить растут из одного корня. Поэтому они с равной энергией, блеском и азартом работали в ГИФТИ (Горьковском физико-техническом институте) и на вузовских кафедрах. С этого времени начался второй этап в жизни Нижегородской радиофизической школы, отмеченный созданием в 1945 году радиофизического факультета. Организатором и первым деканом факультета была М.Т.Грехова, директор физико-технического института.
Для Нижнего Новгорода характерно, что большинство научных и отраслевых институтов в области радиофизики ведут свое начало от университетских и минвузовских НИИ.
В 1957г. на базе факультета и ГИФТИ создается Научно-исследовательский радиофизический институт (НИРФИ). В области физики академическая наука в Нижнем Новгороде появилась в 1977 году, когда из НИРФИ выделился Институт прикладной физики. Расширение последнего привело к появлению в 1995 г. института Физики микроструктур. За период с 1950-1960 гг. в Н.Новгороде, было, создано пять крупнейших отраслевых научно-исследовательских институтов близкого профиля. В 1991 году при ИПФ РАН открыта высшая школа общей и прикладной физики, работающая на правах факультета ННГУ. В 1995 году при участии ИПФ РАН и ННГУ был создан Международный центр - фонд перспективных исследований, цель которого заключается в привлечении крупных зарубежных исследователей к совместной работе с научными работниками и студентами Нижнего Новгорода.
В настоящее время, подавляющее большинство научных сотрудников этих институтов составляют выпускники Радиофизического факультета ННГУ, в том числе директора и все заместители директоров ИПФ РАН, ИФМ РАН и НИРФИ. В свою очередь, свыше 70 ведущих научных сотрудников этих институтов преподают в Нижегородском государственном университете, а в ИПФ РАН работают 8 филиалов кафедр ННГУ.
Проводятся совместные научные сессии и школы. С 1972 года регулярно проводятся Всесоюзные школы по нелинейным колебаниям и волнам. В 90-х годах Нижний Новгород стал организатором ряда международных конференций и школ: были проведены 3 конференции по сильным электромагнитным волнам в плазме, две школы-семинара по динамическим и стохастическим явлениям, две школы по физике ионосферы, школа по нелинейным колебаниям и волнам. В 1996-99 годах проводились Нижегородские сессии молодых ученых. Проведение этих мероприятий осуществляется при поддержке Администрации Нижегородской области. Начиная с 1997 года проведение подобных научных мероприятий поддерживается Федеральной целевой программой Интеграция. Благодаря этой программе в Нижегородском госуниверситете (на базе Радиофизического факультета) проведены три Научные конференции по радиофизике.
III. Наука и образование на радиофизическом факультете
Студенты должны получать науку из первых рук - это главный педагогический постулат факультета. С первых лет к преподаванию на факультете были привлечены ведущие ученые Москвы и Горького - профессора В.Л.Гинзбург, А.Г.Майер, С.М.Рытов, В.Д.Фейнберг, М.Л.Левин. Ими разработана концепция радиофизического образования, созданы учебные планы и лекционные курсы. Многие страницы знаменитой книги Г.С.Горелика Колебания и волны рождались и за рабочим столом, и в учебных аудиториях, лабораториях факультета. Прочитанные лекции легли в основу ставших классическими монографий Распространение электромагнитных волн в плазме В.Л.Гинзбурга и Распростра-нение радиоволн вдоль земной поверхности Е.Л.Фейнберга.
Эти традиции поддерживаются и развиваются на Радиофизическом факультете. Подавляющее большинство преподавателей активно занимается наукой. Приведем некоторые цифры. В 1998 году штатные сотрудники факультета были руководителями 16 грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), 5 грантов конкурсного центра фундаментального естествознания (КЦФЕ), активно участвовали в программах Университеты России, Конверсия, вели хоздоговорные работы. Это достаточно весомые показатели для отдельного факультета. Чтобы провести сравнение, можно обратиться к серверу РФФИ (http://www.rfbr.ru), на котором приведены данные обо всех грантах РФФИ, начиная с 1994 года. Так в 1994-97 годах на радиофизическом факультете было получено 22 гранта РФФИ, что больше, чем у большинства университетов страны. Студенты и аспиранты активно привлекаются к научной работе. Об эффективности этой работы можно, в частности, судить по сборнику Научная конференция по радиофизике, посвященная 95-летию М.Т.Греховой. 7 мая 1997 г. Тезисы докладов. - Н.Новгород: ННГУ, 1997. Среди авторов докладов - 106 аспирантов и студентов.
Продолжается традиция подготовки монографий и учебников на основе лекционных курсов. Здесь можно отметить монографию Радиооптика В.А.Зверева, коллективную монографию кафедры общей физики Экспериментальная радиоптика, монографию Оптический разряд в аэрозолях (соавтор Ю.М.Сорокин), коллективную монографию кафедры теории колебаний Устойчивость, структуры и хаос в нелинейных системах, монографии А.Н.Малахова Флуктуации в автоколебательных системах, Кумулянтный анализ случайных негауссовых процессов и их преобразований, русское и английское издание книги Нелинейные случайные волны и турбулентность в средах без дисперсии (С.Н.Гурбатов, А.Н.Малахов, А.И.Саичев), и др.
Большое внимание уделяется и подготовке учебников и учебных пособий. Так, за последнее время был издан учебник по радиоастрономии (А.Г.Кисляков, Н.М.Цейтлин, В.А.Разин), задачник по электродинамике (М.А.Миллер, В.Б.Гильденбург), получивший премию Нижнего Новгорода, учебное пособие Акустика в задачах (коллектив авторов, включающий кафедры акустики МГУ и ННГУ). Часть учебников издана в США. Это учебник А.И.Саичева и В.Войчинского по теории распределений, и учебник по нелинейной акустике, где глава по статистической нелинейной акустике написана совместно заведующими кафедрами акустики МГУ и ННГУ.
Комплексная система подготовки кадров хорошо себя зарекомендовала. Во многом благодаря ей Нижний Новгород в настоящее время стал признанным центром радиофизики. В 1957 году при университете и НИРФИ начал издаваться журнал Известия вузов. Радиофизика. С 1965 года он переводится на английский язык в США. В ННГУ находится секция Радиофизика головного совета по Физике МОПО РФ, экспертная группа по радиофизике конкурсного центра фундаментального естествознания. Радиофизический факультет один из первых в стране открыл подготовку магистров по физике.
Научные направления Нижегородской радиофизической школы имеют высокий отечественный и международный рейтинг (7 действительных членов и член - корреспондентов РАН, одна Ленинская и более 10 Государственных премий, премии Совета Министров, именные премии Академии наук; работы по государственным, академическим и международным программам; многочисленные совместные работы с зарубежными университетами, фирмами и научными центрами). В частности, в 1997 году три сотрудника факультета получили государственную премию Российской федерации. Государственную поддержку Ведущих научных школ получили 15 коллективов сотрудников ИПФ РАН, радиофизического факультета ННГУ, ИФМ РАН и НИРФИ; в том числе две научные школы непосредственно на радиофизическом факультете, две Ведущие научные школы имеют совместное руководство представителями факультета, ИПФ и НИРФИ.
Очевидно, что для сохранения высокого уровня подготовки специалистов, раз-вития науки и подъема промышленности в условиях ограниченного финансирования необходимо усиление интеграционных процессов.
IV. Основные задачи и принципы формирования учебно-научных центров
Задачи, стоящие перед высшей школой России на сегодняшнем этапе ее развития могут быть решены лишь на основе интеграционных усилий, объединяющих в одно целое школу - вуз - академию - отрасль - экономику - культуру. В этих усилиях первоочередная и координирующая роль принадлежит классическим университетам с их традиционной ориентацией на универсализм, фундаментальность образования и тесное взаимодействие с академической наукой.
Чтобы успешно справиться с теми функциями, которые возникают в этой связи, университеты должны быть оснащены высококлассным оборудованием, обладать высоким научным потенциалом и иметь устойчивые связи с заказчиками и потребителями специалистов и научной продукции. Эти и другие условия реализации университетами их научно-образова-тель-ных и культурных задач наиболее успешно реализуются путем создания интегрированных организационных структур - учебно-научных центров (УНЦ). Именно на базе УНЦ могут быть отработаны и оперативно апробированы версии многофункциональной модели университетского образования, переподготовки кадров, адаптационных методов саморегулирования. Только сильный центр с его развитой инфраструктурой, кадровым обеспечением, связями с академическими и отраслевыми научно-техническими центрами, поддерживаемыми государством, позволяет выработать идеологию правового, финансового и хозяйственного взаимодействия университета с обществом.
На радиофизическом факультете ННГУ в течение ряда лет изучались возможности создания УНЦ Фундаментальная радиофизика. Была проанализирована роль 17-ти ведущих университетов России в подготовке кадров высшей квалификации по радиофизике. На основе проведенного анализа были выявлены необходимые предпосылки возникновения региональных учебно-научных центров:
V. Учебно-научный центр Фундаментальная радиофизика
Во многом вышеуказанные принципы были реализованы созданием учебно-научного центра Фундаментальная радиофизика в рамках проекта 570 Федеральной целевой программы Интеграция
Центр создан в 1997 году на основе следующих организаций:
1. Направления деятельности Центра
Вышеуказанные задачи, стоящие перед УНЦ Фундаментальная радиофизика можно, в соответствии с направлениями, определенными Федеральной целевой программой Интеграция, условно разделить по следующим видам деятельности.
2. Структура Учебно-научного центра
УНЦ Фундаментальная радиофизика создан на базе трех НИИ РАН и МОПО и трех вузов Нижегородского региона. В его работе принимают участие свыше 500 преподавателей и научных работников, а также 800 студентов и аспирантов. Центр объединяет работу 13 кафедр вузов и 23 отделов НИИ.
Общая структура Центра показана на рисунке 1.
![]() |
|
3. Основные структурные единицы
Основные единицы УНЦ Фундаментальная радиофизика определяются существующей структурой организаций - участников Центра:
4. Материальная база центра
Организации-участники Проекта активно работают во всех системах конкурсного финансирования науки.
В 1997 году плановый объем финансирования Центра составил 1830 млн. руб., при этом приобретено оборудования на сумму 460 млн. рублей.
Кооперация программы Интеграция и научных грантов РФФИ повысила эффективность использования аппаратуры двойного назначения в учебном процессе. На радиофизическом факультете ННГУ в 1997 году было закуплено научного оборудования на сумму свыше 120 млн. рублей (из средств 16 грантов РФФИ, 2 научных школ), которое в рамках программы Интеграция удалось эффективно адаптировать к учебному процессу.
В 1998 году плановый объем финансирования Центра составил 1 650 тыс. руб.
Организации, входящие в состав Центра, имеют широкие международные связи. Они участвуют более чем в 20 международных проектах, охватывающих зарубежные центры родственного научного профиля из таких стран, как Великобритания, Германия, Италия, Нидерланды, Финляндия, Франция, Швеция, Украина.
Внутри России организациями-участниками Проекта выиграно более 90 конкурсных научных проектов (РФФИ, КЦФЕ, различных программ). В их числе следует отметить 14 грантов Ведущие научные школы, участниками которых являются свыше 50 студентов и аспирантов. Из средств, полученных за счет этих проектов, на развитие УНЦ Фундаментальная радиофизика в 1998 году было направлено около 4 млн. руб.
Таким образом, имеющиеся ресурсы обеспечивали, в основном, выполнение запланированного объема работ. Вместе с этим, финансирование в рамках Проекта позволило увеличить число студентов, привлекаемых к научной работе, и углубить существующую интеграцию между вузами и академическими НИИ радиофизического профиля, существующими в Нижегородском регионе.
5. Создание учебно-научных циклов, модернизация общего физического практикума
Повышение качества фундаментального образования в области радиофизики обеспечивается путем более тесного взаимодействия научных сотрудников академии и преподавателей вузов. Для этого выполняются следующие мероприятия.
1) Привлечение ведущих научных сотрудников к учебному процессу.
Программа Интеграция позволила расширить участие сотрудников научных институтов в учебном процессе. В осеннем семестре 1997/98 учебного года 34 ведущих научных работника ИПФ РАН, ИФМ РАН и НИРФИ преподавали на радиофизическом факультете ННГУ. В частности, зам. директора ИПФ РАН, академик Таланов В.И., директор ИФМ РАН, член-корреспондент РАН Гапонов С.В. и зам. директора ИФМ РАН, член-корреспондент РАН профессор Андронов А.А. возглавляют в настоящее время кафедры на факультете.
К работе в рамках Программы привлечены руководители и участники 15-ти Ведущих научных школ ИПФ РАН, радиофизического факультета ННГУ, ИФМ РАН и НИРФИ. При этом практически все руководители научных школ из научных институтов (10 профессоров) участвуют в преподавательской деятельности на радиофизическом факультете.
В связи с этим отметим, что программа Интеграция является естественным развитием существующих реальных связей между институтами и вузами Нижнего Новгорода в области радиофизики. Так, в коллектив большинства школ академических институтов и НИРФИ входят преподаватели и аспиранты радиофизического факультета, а в состав научных школ радиофизического факультета входят сотрудники ИПФ РАН, ИФМ РАН и НИРФИ. Две Ведущие научные школы имеют совместное руководство из научного института и вуза: Беспорядок, динамический хаос и структуры в диссипативных системах (руководители: чл. - корр. РАН М.И.Рабинович - ИПФ РАН, проф. В.Д.Шалфеев - ННГУ) и Радиоастрономия галактических и внегалактических дискретных источников и межзвездной среды (руководители: проф. К.С.Станкевич, проф. В.А.Разин - НИРФИ и проф. В.П.Докучаев - ННГУ).
Новым элементом программы Интеграция явилось широкое вовлечение среднего поколения научных работников в учебный процесс. Если и раньше ведущие ученые работали в качестве совместителей в вузах, то среднее поколение в силу финансовых ограничений практически было лишено возможности участвовать в учебном процессе. Руководство дипломными и курсовыми работами осуществлялось часто на общественных началах. В рамках Программы свыше 120 кандидатов наук из научных институтов привлечены к руководству научными работами студентов, к постановке новых лабораторных работ как на базе самих институтов, так и непосредственно в вузах.
Сотрудниками научных институтов ежегодно читается около 40 курсов по проблемам современной радиофизики. Эти же сотрудники участвуют в издании и рецензировании вузовских методических разработок .
2) Модернизация лабораторий радиофизического факультета
Одной из основных задач УНЦ Фундаментальная радиофизика являлось использование научного потенциала и материальных ресурсов академических НИИ для модернизации работ специального радиофизического практикума. При этом работы ставились на основе результатов, полученных в научных исследованиях, проводимых как в академических НИИ, так и в вузах.
Комплексы учебно-научных работ создавались, по результатам проведения научных исследований, в соответствии со следующими направлениями фундаментальной радиофизики.
Такое укрупнение тематики позволило интегрировать усилия кафедр вузов, отделений и отделов научных институтов при подготовке новых курсов, постановке лабораторных работ и увеличить эффективность использования научного оборудования в учебном процессе.
Лаборатории радиофизического факультета ННГУ условно можно разделить на три уровня:
- общий физический практикум и демонстрационный кабинет по физике, обеспечивающие общефизические дисциплины для студентов младших курсов радиофизического факультета и других факультетов ННГУ (более 300 студентов в год);
- специальный радиофизический практикум, поддерживающий общие лекционные курсы для студентов радиофизического факультета (около 100 студентов в год);
- физический практикум по фундаментальной радиофизике, для студентов старших курсов, специализирующихся на кафедрах радиофизического факультета (порядка 10 студентов на каждой кафедре).
Модернизация лабораторных работ осуществлялась по всем научным направлениям УНЦ, причем работы разворачивались как на кафедрах вузов, так и в НИИ.
Общий физический практикум, лаборатории которого расположены на радиофизическом факультете, проходят студенты как физических, так и всех естественнонаучных факультетов ННГУ. Поэтому оснащение его современным оборудованием позволит не только поднять уровень экспериментальной культуры радиофизиков, но и способствовать приобретению навыков работы на современном оборудовании специалистов других естественнонаучных направлений. Для модернизации лабораторного практикума создана лаборатория мультимедийных технологий.
В 1997 году выполнен цикл мероприятий по созданию, модернизации и апробации 37 лабораторных комплексов и отдельных работ. Доработка экспериментальных стендов осуществляется с участием студентов старших курсов и аспирантов.
В 1998 году модернизированы лабораторные работы: Кривые магнитной индукции, Измерение гравитационной постоянной. Все имеющиеся в демонстрационном кабинете учебные кинофильмы перенесены на магнитные носители.
В 1998 году по специальному радиофизическому практикуму, в частности, проведена разработка лабораторных стендов: по дистанционной оптической профилометрии для измерения профилей катания тел вращения (железнодорожных колес) на ходу, по ознакомлению с современными методами спектрального приема и анализа миллиметрового излучения для дистанционного зондирования окружающей среды на базе озонометрического комплекса ИПФ РАН, по виброакустическим измерениям в акустической заглушенной безэховой камере 1-го класса в ИПФ РАН.
По физическому практикуму фундаментальной радиофизики отметим постановку лабораторных работ на уникальном фемптосекундном лазерном стенде ИПФ РАН.
В 1998 году продолжалось развитие учебно-методических лабораторий, в рамках которых получены следующие результаты.
- Разработано Положение и проведен конкурс грантов на создание новых лабораторных работ общего радиофизического практикума, необходимых для развития учебного процесса и, в особенности, для новой учебной специальности Информационные системы в радиофизике.
- На основе новых информационных обучающих технологий поставлено 3 лабораторных работы.
- Начато формирование информационной базы по фундаментальной радиофизике. В частности, на WWW сервере радиофизического факультета ННГУ размещены зеркальные электронные копии журнала Hard & Soft и журналов издательства Открытые Системы. Общий объем хранимой информации 250 Мбайт в составе 26300 документов. Организован доступ к электронным версиям реферативных журналов, хранящимся на CD-ROM сервере ННГУ.
- Создан сервер Учебно-научный центр Фундаментальная радиофизика. На его страницах размещены сведения об участниках Проекта, Положение о Центре, сведения о решаемых задачах и результатах их выполнения.
Электронные адреса сервера:
http://www.rf.unn.ru/int/rus/ -русскоязычная версия
http://www.rf.unn.ru/int/us/ -англоязычная версия
6. Развитие аспирантуры
В аспирантуре Института прикладной физики и Института физики микроструктур обучается около 40 выпускников радиофизического факультета ННГУ. В 1997 году введено в практику совместное руководство аспирантами. Все аспиранты и студенты старших курсов ведут активную научную работу. Почти все они были зачислены на работу по контрактам. Например, в 1997 году 58 научных работ, выполненных в соавторстве с аспирантами и соискателями ИФМ РАН - недавними выпускниками факультета, было опубликовано и доложено на Международных и российских конференциях.
В 1998 году в ИФМ РАН открыта аспирантура по радиофизике.
Подготовка специалистов - радиофизиков высшей квалификации завершается защитой диссертационных работ в 5 диссертационных советах, функционирующих в организациях-участниках УНЦ Фун-да-мен-тальная радиофизика. В течение 1998г. было рассмотрено 9 докторских и 11 кандидатских диссертаций. В результате Центр получил 20 высококвалифицированных специалистов, что составляет ощутимую часть его кадрового потенциала.
7. Проведение конференций
В 1997 году в рамках программы Интеграция при поддержке Администрации Нижегородской области была проведена 2-я Нижегородская сессия молодых ученых, на которой студентами и аспирантами вузов и НИИ, участвующих в данной программе, было сделано 95 докладов по фундаментальной радиофизике. Отметим, что впервые в работе сессии приняли участие представители ранее закрытого города Сарова.
На научной конференции по радиофизике, организованной на базе радиофизического факультета ННГУ, также выступали представители практически всех участников Программы. При этом в качестве авторов приняли участие 106 студентов, аспирантов и соискателей.
В 1998 году круг конференций, проводимых при участии Центра, расширился. Были проведены следующие мероприятия:
- Международная школа Дни нелинейной динамики в Нижнем Новгороде - ДД 98,
- 3-я Нижегородская сессия молодых ученых (112 докладов от организаций-участников Проекта),
- 2-я Научная конференция по радиофизике (с участием студентов, аспирантов и молодых исследователей, 182 участника).
В рамках Международной школы Дни нелинейной динамики в Нижнем Новгороде - ДД 98 проведены:
- научные чтения имени академика А.А. Андронова по нелинейной динамике (90 участников);
- школа-семинар молодых ученых и аспирантов Динамические и стохастические колебательно-волновые явления (50 участников).
В ИФМ РАН проведена студенческая научная конференция, организованная в дополнение к существующему Техническому заданию Проекта. В конференции приняли участие 8 студентов Радиофизического факультета ННГУ.
В 1999 году проведены следующие научные мероприятия.
- 4-я Нижегородская сессия молодых ученых,
- 3-я Научная конференция по радиофизике (с участием студентов, аспирантов и молодых исследователей, 175 докладов, 282 участника).
8. Проведение экспедиций
С самого начала создания радиофизики в Нижегородском регионе большое внимание уделялось проведению экспедиционных исследований, в которых активное участие принимали студенты и преподаватели. Это были экспедиции по исследованию свойств ионосферы в области высоких и низких частот, радиоастрономические экспедиции по наблюдению Солнечных затмений, акустические и гидрофизические экспедиции. География этих экспедиций включала практически все регионы СССР, многие страны мира, все Мировые Океаны. Кроме того, широко была развита система постоянно действующих полигонов, как в Нижегородской области, так и за ее пределами (Крым, Карелия).
В рамках УНЦ Фундаментальная радиофизика поддерживаются только те экспедиционные и полевые исследования, которые имеют финансовое обеспечение из других источников (гранты МОПО, РФФИ, Миннауки, международные гранты и программы). Проведение экспедиций предусматривает широкое участие преподавателей, студентов и аспирантов в выполнении совместных работ, в обработке результатов экспериментов, и дополнительное обеспечение материально-технической базы. Кроме того, на полигонах НИРФИ Старая пустынь и Зименки обеспечивается прохождение радиоастрономической практики.
В 1997 было проведено 7 экспедиций ИПФ РАН и НИРФИ с участием 30 студентов, аспирантов и преподавателей ННГУ по следующим научным направлениям.
- астрофизика, радиоастрономия и распространение радиоволн.
- гидрофизика, геофизика и физическая акустика.
- дистанционная диагностика окружающей среды, прямые и обратные задачи теории распространения волн.
На полигоне НИРФИ была поставлена лабораторная работа по многочастотным измерениям яркостной температуры и позиционного угла плоскости поляризации.
В 1998 году проведено 10 экспедиций. Для их проведения, а также обеспечения лабораторного практикума по радиоастрономии и распространению радиоволн, было осуществлено 86 человеко-выездов сотрудников НИРФИ и ИПФ РАН и 114 - ННГУ (включая студентов и аспирантов). Привлекались средства отечественных грантов в объеме 761 тыс. руб. и зарубежного гранта - 18 тыс. экю.
VI. основные направления научной деятельности центра Фундаментальная радиофизика
Непосредственно в программе интеграция не предусмотрено финансирование научных исследований. Тем не менее, в рамках учебно-научного центра Фундаментальная радиофизика получили дальнейшее развитие совместные научные исследования, проводимые в высших учебных заведениях и институтах РАН по тем научным направлениям фундаментальной радиофизики, в которых Нижегородский регион занимает ведущие позиции в России и в мире. Данные научные направления поддержаны наибольшим количеством грантов РФФИ, программ ГКНТ и МОПО. Кроме того, при формировании научных направлений выбирались те, по которым уже в настоящее время имеется наиболее тесная связь академических институтов, кафедр университета и НИРФИ. Совместная работа проводилась по научным областям фундаментальной радиофизики, перечисленным в пункте 5.2 программы.
1. Астрофизика, радиоастрономия и распространение радиоволн
Распространение радиоволн и астрофизика с самого начала становления радиофизики в Нижнем Новгороде были среди ведущих научных направлений, и инициатором этих работ был В.Л.Гинзбург. К настоящему времени эти исследования охватывают практически все диапазоны электромагнитного излучения (от ОНЧ до СВЧ и рентгеновского излучения). Здесь, прежде всего, следует отметить экспериментальную и теоретическую радиоастрономию и астрофизику. В г. Горьком сделаны 2 открытия в области радиоастрономии: поляризации космического радиоизлучения (В.А.Разин) и потока тепла в лунной коре (В.С.Троицкий и В.Д.Кротиков). Мировое признание получили работы горьковских (нижегородских) радиофизиков по активному воздействию на ионосферную плазму сигналами мощных наземных радиопередатчиков. По данной тематике были изданы монографии, написанные на базе исследований проводимых в Нижнем Новгороде. В частности, это известные книги Распространение электромагнитных волн в плазме В.Л.Гинзбурга; Распространение электромагнитных волн вдоль земной поверхности Е.Л.Фейнберга; Радиоизлучение Солнца и планет и Электромагнитные волны в космической плазме В.В.Жепезнякова; Волновые процессы в ионосферной и космической плазме Б.Н.Гершмана, Л.М.Ерухимова, Ю.Я.Яшина. В Нижнем Новгороде издан первый российский учебник для вузов Введение в радиоастрономию (А.Г.Кисляков, В.А.Разин, Н.М.Цейтлин).
В рамках данного направления проводились совместные научные исследования по теоретическим вопросам излучения космических объектов, включая Солнце, сверхновые звезды и межзвездную среду. Дано решение ряда обратных задач восстановления физико-химических свойств космических объектов по их электромагнитному излучению.
2. Вакуумная и твердотельная электроника. Генерация, усиление, транспортировка мощного СВЧ излучения
Микроволновая вакуумная электроника, являющаяся одним из основных направлений работ ИПФ РАН, уходит корнями в исследования, начатые в Нижегородском университете еще до войны. Именно тогда была сформулирована главная цель работ в данной области: продвижение микроволновой электроники в диапазон все более высоких частот и мощностей как средство для расширения старых и организации новых приложений. Важным этапом развития электроники в системе Нижегородского университета послужило начатое в 50-60 годах освоение субрелятивистских и релятивистских электронных пучков и, соответственно, эффектов теории относительности. Усилиями коллектива, ведущего эти работы - теперь уже в системе РАН, уровень мощности источников когерентного излучения в высокочастотной части микроволнового диапазона увеличен на несколько порядков, что позволило обеспечить электронно-циклотронный нагрев плазмы в токамаках, экспериментальные исследования нелинейных эффектов в газах и плазме, сверхмощную радиолокацию на миллиметровых волнах, осуществление новых технологических процессов и другие важные приложений. Работы по данной тематике дважды отмечались Государственными премиями. Книга В.И.Гапонова Электроника была учебником многих поколений радиофизиков в нашей стране. Последние достижения в этой области отражены в книге Мощные электромагнитные волны и их приложения, Гапонов-Грехов А.В., Гранштейн В.Л.
Совместные исследования проводились в следующих направлениях: формирование мощных электронных пучков, рекуперация замагниченных электронных пучков, компрессия микроволновых импульсов. Эти работы направлены, с одной стороны, на дальнейшее повышение энергетики микроволновых генераторов и усилителей, на продвижение их в более высокочастотные диапазоны и на совершенствование методов управления их параметрами, и, с другой стороны, на расширение области их приложений - к новым ускорителям заряженных частиц, к генерации интенсивных потоков рентгеновского излучения и высокозарядных ионов, к диагностике полупроводников и сверхпроводников и т.д.
3. Электродинамика плазмы. Взаимодействие мощных электромагнитных волн с плазмой. Проблемы управляемого термоядерного синтеза
Исследования взаимодействия электромагнитных волн с плазмой более 30 лет активно проводятся в ИПФ РАН и РФ ННГУ. Отличительной особенностью плазменных исследований, проводимых в Нижегородском регионе, является возможность использовать электромагнитное излучение с рекордными характеристиками. В последние годы в Нижнем Новгороде были выполнены комплексные экспериментальные и теоретические исследования нелинейного взаимодействия мощного электромагнитного излучения с лабораторной неоднородной и нестационарной плазмой. В частности, исследованы нелинейное поглощение и рассеяние волновых полей, самофокусировка и самоканалирование волновых пучков в плазменной среде, модификации спектрального состава излучения большой мощности в нелинейной и нестационарной плазме. На лабораторных установках разработаны методы формирования в ионосфере и магнитосфере Земли активных плазменных антенн, которые были опробованы в ракетных экспериментах и использованы для возбуждения ионосферного альфеновского резонатора. Признанием научного уровня развития этого направления в ИПФ РАН и ННГУ является присуждение двух государственной премий СССР. Последние результаты исследований в данной области отражены в сборнике под редакцией А.Г.Литвака Высокочастотный нагрев плазмы.
В рамках программы проводились исследование динамики самолокализованных в пространстве волновых и квазистатических разрядов в лабораторных условиях, в условиях, моделирующих ионосферу, и исследование динамики нижнегибридного пробоя газа (моделирование спутниковых экспериментов по активному воздействию на магнитосферу Земли). Теория электронно-циклотронного нагрева плазмы в термоядерных установках с магнитным удержанием будет использовано в схеме электронно-циклотронного нагрева, которая в настоящее время рекомендована для термоядерных реакторов (например, в ITER). В результате проведения экспериментальных и теоретических исследований различных типов газового разряда, поддерживаемого мощными квазиоптическими пучками электромагнитных волн см и мм диапазона, сформировано новое направление физики газового разряда - физика свободно локализованного СВЧ разряда. Предполагается, что совокупность уникальных свойств разряда в СВЧ пучках рекордной интенсивности (большая концентрация электронов, высокий удельный энерговклад в плазму, высокая степень неравновестности и т.д.) сделают его перспективным для различных применений.
4. Квантовая радиофизика. Нелинейная динамика и оптика
Исследование нелинейных динамических систем различной природы, проводимые в Н.Новгороде школой акад. А.А.Андронова, получили мировую известность. Методы нелинейной теории колебаний и теории бифуркаций, разработанные сначала для сосредоточенных колебательных систем, были затем обобщены и успешно использованы и для анализа волновых (распределенных) систем. Методы нелинейной динамики успешно используются и развиваются в ННГУ и ИПФ РАН также применительно к нелинейной оптике, исследованию физических принципов и особенностей конструкции лазерных устройств различного назначения, распространения мощного светового излучения в различных средах. Методы и результаты исследований, помимо ставшей классической монографии А.А.Андронова, А.А.Витта, С.Э.Хайкина Теория колебаний, нашли также отражение в монографии А.В.Гапонова-Грехова, М.И.Рабиновича Колебания, хаос, порядок, фракталы, учебном пособии В.М.Файна, Я.И.Ханина Квантовая радиофизика в учебном пособии М.И.Рабиновича, Д.И.Трубецкого Введение в теорию нелинейных колебаний и ряде других книг. Некоторые принципиальные подходы и результаты радиофизического подхода к проблемам оптики изложены в монографии В.А.Зверева Радиооптика и в монографии Экспериментальная радиооптика под редакцией В.А.Зверева и Н.С.Степанова. По данному направлению было получено 2 государственных премии СССР.
В рамках учебно-научного центра основные усилия были сосредоточены на исследованиях фемптосекундных лазеров, на разработке оптоволоконных систем различного назначения (в том числе содержащих активные элементы), изучении низкопорогового лазерного пробоя в аэрозольных средах, а также лазерного управления процессом полимеризации. Предлагаемое направление позволило объединить усилия ИПФ РАН и ННГУ при проведении исследований этих актуальных вопросов. Изучение физических явлений, происходящих при взаимодействии светового излучения с различными средами (в общем случае - неоднородными, нестационарными, нелинейными и анизотропными), будет проводиться с точки зрения диагностики таких сред, создания различных функциональных устройств, в том числе аналоговых оптических вычислительных устройств. В 1999 году группа сотрудников ИПФ, выпускников радиофизического факультета, совместно с медиками, получила Государственную премию Российской федерации за работы в области использования фемптосекундных лазеров для задач диагностики.
5. Гидрофизика, геофизика и физическая акустика
Традиционным для Нижнего Новгорода являлось проникновение радиофизических методов исследования в физическую акустику (в особенности, акустику океана), в гидрофизику, а в последнее время и в геофизику. В 1948 году на радиофизическом факультете Нижегородского университета была создана одна из первых в стране университетских кафедр акустики. С момента организации НИРФИ (1956 г.), а впоследствии и ИПФ РАН (1977 г.) гидрофизика и гидроакустика были в ряде приоритетных научных направлений этих институтов. Большой объем научных исследований был проведен по низкочастотной акустике и акустической томографии Мирового океана. При этом было использовано уникальное излучающее оборудование, параметры которого значительно превосходят зарубежные аналоги. В рамках Российско-Американского проекта, посвященного акустической термометрии океанского климата, были проведены уникальные эксперименты по низкочастотному распространению звуковых сигналов на трансарктической трассе длиной 2600км. Существенные успехи были достигнуты в одной из наиболее бурно развивающихся областей акустики - нелинейной акустике. Именно в Н.Новгороде был предложен метод параметрического приема звука, совместно с сотрудниками Акустического института были получены рекордные дальности по параметрическому излучению звука в натурных условиях. В Нижнем Новгороде были получены важные результаты по динамике интенсивных внутренних волн, нелинейного взаимодействия поверхностных и внутренних волн, построена теория поведения волн цунами в прибрежной зоне. Сотрудники ИПФ РАН и ФРК НГТУ принимали участие в разработке схемы цунамирайонирования Тихоокеанского побережья России.
Результаты в области физического моделирования, нелинейной акустики и статистической нелинейной акустики нашли отражение в монографиях А.Н.Бархатова Моделирование распространения звука в морской среде (М.: Наука, США). К.А.Наугольных, Л.А.Островского Нелинейные волновые процессы в акустике (М.: Наука, Cambridge Univ. Press) и С.Н.Гурбатова, А.Н.Малахова, А.И.Саичева Нелинейные случайные волны в средах без дисперсии (М.: Наука, Manchester Univ. Press). В последние годы опубликованы монографии Распро-странение волн в сдвиговых потоках (Ю.А.Степанянц, А.Л.Фабрикант), Нелинейная динамика волн цунами, Гидродинамика волн цунами (Пелиновский Е.Н.). За цикл работ в области нелинейной акустики трое нижегородцев получили Государственную премию СССР.
В последние годы число натурных экспедиций резко сократилось. В связи с этим существенно возрастает роль математического и физического моделирования распространения, рассеяния и дифракции звука в океанических волноводах. В рамках проекта предполагается проведение серии экспериментальных работ по разномасштабному физическому моделированию в бассейнах ИПФ И ННГУ.
В рамках учебно-научного центра проводились совместные исследования в следующих направлениях: исследование дальнего распространения низкочастотных акустических волн в океанических волноводах, включая развитие новых методов бесконтактной диагностики поверхностных и пространственных неоднородностей океана, источников звука и параметров океанического канала; нелинейная акустика и сейсмоакустика; развитие физико-математических и компьютерных моделей процессов, происходящих в водной среде, построение нелинейных моделей эволюции различных типов волновых явлений, турбулентности и диффузии, включая изучение динамики прибрежной зоны и внутренних волн.
6. Прием (регистрация), анализ и обработка сигналов и волновых полей при исследовании природных (и лабораторных) сред, явлений и объектов
Решение задач дистанционной диагностики невозможно без применения современных методов анализа и обработки сигналов и волновых полей. Культура прецизионных радиофизических измерений имеет давние традиции в Нижнем Новгороде. Именно здесь были выполнены основополагающие работы по статистической радиофизике Андроновым А.А., Гореликом Г.С., Рытовым С.М., здесь впервые в мире были проведены измерения ширины спектральной линии автогенератора. Представители Нижегородской школы радиофизиков предложили принципиально новый способ борьбы с активными помехами в радиолокации - адаптивные компенсаторы помех. В Нижнем Новгороде были созданы эффективные алгоритмы обработки сигналов для больших гидроакустических антенных систем, разработаны основы теории и техники адаптивного управления волновыми полями, адаптивных систем активного гашения случайных акустических и вибрационных полей. В последние годы на основе предложенного метода синтеза полиспектрально-организованных структур сигналов были успешно проведены первые сеансы параллельной скоростной передачи высокоинформативных полиспектральных сигналов, эффективно передающих изображения и рельефы, в условиях сильных помех и искажений.
В монографиях А.Н.Малахова Флуктуации в автоколебательных системах и Кумулянтный анализ случайных негауссовых процессов и их преобразований были изложены теоретические основы анализа случайных сигналов, генерируемых радиоэлектронными прецизионными устройствами и анализа негауссовских сигналов.
В рамках учебно-научного центра проводились совместные фундаментальные исследования в области анализа и обработки негауссовских и нестационарных случайных сигналов и полей (нелинейная фильтрация, обнаружение, классификация, оценка параметров). Эти исследования будут проводиться на основе созданной общей теории оптимальной нелинейной фильтрации нестационарных марковских и полиспектрально-организованных случайных процессов, развития теории адаптивных и нейросетевых систем обработки сигналов и применения полученных результатов для решения прикладных задач радиолокации, связи, гидроакустики, сейсмологии, медицинской и технической диагностики, диагностики плазмы. Предполагается развитие нового метода высокоинформативной диагностики систем и сред с использованием полиспектрально - организованных сигналов.
7. Дистанционная диагностика окружающей среды. Прямые и обратные задачи теории распространения волн
Дистанционная диагностика является традиционным приложением фундаментальной радиофизики, и в частности при исследовании объектов дальнего и ближнего космоса. Результаты исследований физических свойств лунного грунта с помощью искусственной Луны были полностью подтверждены контактными измерениями при посадке космических аппаратов на Луну. В последнее время большой интерес привлекает приложение радиофизики к исследованиям в биологии и медицине. Использование опыта радиастрономических методов позволило получить рекордные характеристики для приборов дистанционного зондирования биологических объектов и окружающей среды. В ИПФ, НИРФИ и ННГУ были созданы микроволновые радиометры, успешно прошедшие испытания в лечебных учреждениях. Результаты работ по микроволновому зондированию атмосферы Земли были отмечены в 1987 г. Государственной премией СССР.
Совместные научные исследования в рамках УНЦ проводились по диагностике объектов в мутных средах, радиометрическому зондированию биологических объектов и мониторингу атмосферы. Разработанные в Нижнем Новгороде методы решения прямых и обратных задачи теории распространения волн использованы при дистанционной диагностике свойств окружающей среды: земных покровов, температуры и влажности в тропосфере и некоторых параметров ионосферы, магнитосферы и ближнего космоса.
В совокупности, за счет научной работы, для развития УНЦ были привлечены средства более чем 20 международных и 90 отечественных конкурсных проектов (РФФИ, КЦФЕ, различных программ). В их числе - 14 грантов Ведущие научные школы, членами которых являются свыше 50 студентов и аспирантов. Из средств, полученных за счет этих проектов, на развитие УНЦ Фундаментальная радиофизика в 1998 году было направлено около 4 млн. руб.
VII. Основные результаты
Основные результаты выполнения в 1997-99 годах проекта 570 ФЦП Интеграция - Учебно-научный центр Фундаментальная радиофизика состоят в следующем.