Ускорительная геодезия: путь от планетарных масштабов к микрометрам
- 01.12.2025
Геодезия – это наука, изучающая форму и размеры Земли, а также изображение земной поверхности на планах и картах. Геодезисты работают в самых различных организациях, от кадастровых и горнодобывающих до учреждений, занимающихся созданием астрономо-геодезических сетей и государственных систем координат. Одно из уникальных ответвлений геодезии – ускорительное. Специалисты этого направления востребованы во всех мировых ускорительных центрах: в Европейском центре по ядерным исследованиям (ЦЕРН, Швейцария), Национальной ускорительной лаборатории (SLAC, США) и других. Геодезическая группа есть и в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Особенность у таких геодезистов одна – со временем они стали немного физиками-ускорительщиками. Их задача состоит в том, чтобы разместить физическую установку – коллайдер или синхротрон – в здании таким образом, чтобы в будущем пучки частиц, двигающиеся с релятивистскими скоростями, обладали необходимыми параметрами. Для этого специалистам приходится выставлять каждый элемент установки, порой, с фантастической точностью – меньше толщины человеческого волоса.
Геодезическая группа ИЯФ СО РАН. Слева направо: В.С. Крапивин, К.В. Паульзин, М.В. Гужа, Е.С. Вонда, В.Е. Тихонов, Л.Н. Сердаков, А.В. Полянский. Фото Л.Сердакова.
О том, кто создавал геодезическую школу ИЯФ СО РАН, как в прошлом специалистам удавалось достигать необходимых уровней точностей без лазер-треккеров, и чем отличается проект синхротрона СКИФ от тех ускорителей, над которыми геодезисты работали раньше, рассказали старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Андрей Полянский, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Леонид Сердаков и инженер-программист ИЯФ СО РАН Елена Вонда.
– Расскажите, пожалуйста, что из себя представляет ускорительная геодезия: это официальное ответвление от классической геодезической науки?
Елена Вонда: Классическая геодезия – наука, изучающая форму и размеры Земли, а также методы измерений геометрических параметров на ее поверхности. Термина ускорительная геодезия официально не существует, но в мире функционирует целая ассоциация специалистов, занимающихся геодезическим обеспечением ускорительных комплексов. У нас в стране со времен СССР область строительства уникальных инженерных объектов находилась в зоне ответственности прикладной (инженерной) геодезии. Основной задачей является сопровождение проектирования, строительства и запуска технически сложных сооружений. В отличие от классических подходов геодезии и топографии, инженерная геодезия предлагает использование специализированных решений и средств под каждый объект наблюдения.
Андрей Полянский: К настоящему времени можно смело говорить о сформировавшемся новом прикладном научно-техническом направлении – ускорительной геодезии. Принципы и подходы в классической, или прикладной, геодезии часто общие с той геодезией, которую мы называем ускорительной. Когда-то, когда физики начинали строить первые ускорительные машины и у нас в ИЯФ, и за рубежом, эта геодезия отпочковалась от прикладной.
Слева направо: М.А. Боков, А.В.Полянский, Ю.А. Пупков, Л.Е. Сердаков, Н.С. Заиграева, Е.С. Вонда. Фото из архива ИЯФ СО РАН.
– Расскажите, пожалуйста, как создавалась геодезическая служба ИЯФ СО РАН, с каких проектов все начиналось?
Андрей Полянский: Все начиналось с проектирования и строительства ускорительного комплекса ВЭПП-4. Конечно, в ИЯФ был еще ВЭП-1 (один из первых в мире ускорителей на встречных пучках), но он был маленьким, и все задачи по соблюдению его геометрических параметров решались измерительными средствами машиностроения. А вот как только установки начали расти в размерах, то вопрос о том, как грамотно расставлять их элементы, встал очень остро. Тогда, в 1971-1973 годах, в Институт был приглашен профессор Н.Н. Лебедев из Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК). Совместно с Новосибирским научно-исследовательским институтом прикладной геодезии (НИИПГ), основанным в 1969 году, они разрабатывали средства и методы измерений для электрон-позитронного накопителя ВЭПП-3 и коллайдера ВЭПП-4. Представителем от НИИПГ был Марк Аркадьевич Боков, а от ИЯФ – Юрий Алексеевич Пупков.
Елена Вонда: Официально группы геодезии в ИЯФ нет до сих пор, есть группа людей с геодезическим образованием. Вот ее основоположниками стали геодезист М.А. Боков и физик Ю.А. Пупков. Юрий Алексеевич работал в Институте с 1966 года, он был участником строительства Академгородка. Марк Аркадьевич пришел в Институт в 1995 году после распада НИИ «Прикладной геодезии» (этот НИИ сотрудничал с ИЯФ в советское время). Вместе они работали над ВЭПП-3 и ВЭПП-4, позже с А. В. Полянским и Д. Б. Буренковым над ВЭПП-2000 и ВЭПП-5. А вообще мои коллеги участвовали в проектах по созданию синхротронов ALBA (Испания), MAX IV (Швеция), ESRF (Франция); ускорительного комплекса NICA (Россия); а также в ускорительных проектах Брукхейвенской национальной лаборатории BNL (США) и Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН, Франция), но не всегда в качестве геодезистов, в основном, как инженеры.
Юрий Алексеевич Пупков. Фото из архива ИЯФ СО РАН.
К сожалению, ни Марка Аркадьевича, ни Юрия Алексеевича уже нет в живых, но что мне запомнилось о нашей совместной работе, так это то, что им всегда было важно разобраться в сути проблемы и найти путь к ее решению. Они не боялись браться за свою работу и делали ее добросовестно и грамотно. А их умение делиться опытом и знаниями с коллегами, как мне кажется, дало начало формированию геодезической группы, которая продолжает существовать и пополняться новыми кадрами. Марк Аркадьевич и Юрий Алексеевич пользовались огромным уважением среди коллег, не только в нашем небольшом коллективе, но и института в целом.
Марк Аркадьевич имел огромный опыт в инженерной геодезии, принимал участие в ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС – проводил геомониторинг возводимой защиты над разрушенным энергоблоком. Юрий Алексеевич обладал уникальными знаниями как в физике ускорителей частиц, так и механике, и инженерной геодезии. Его диссертационная работа была посвящена оценке влияния ошибок выставки элементов ускорителя на его работоспособность. До сих пор она является актуальной и востребованной.
– То есть ИЯФ может гордиться не только ускорительной научной школой, но и геодезической?
Андрей Полянский: Да, хоть и немногочисленной. Но преемственность поколений и, как следствие, передача знаний, была. Марк Аркадьевич стал сотрудником ИЯФ и вместе с Юрием Алексеевичем основал геодезическую службу в институте. Наверное, самым ярким представителем этой школы был Юрий Алексеевич – высококлассный специалист в области обеспечения прецизионной выставки оборудования накопительно-ускорительных комплексов. Он участвовал во многих проектах, разработал много методик и внес теоретических новшеств в обработку геодезических измерений кольцевых ускорителей.
– А какое тогда было оборудование в арсенале геодезистов?
Елена Вонда: Когда я пришла в институт, инструментальная база была иная, чем на данный момент. Работали теодолитами, нивелирами, квадрантом, ВУДами, инварными жезлами, рейками. Для эталонирования этих средств измерения усилиями Бокова и Пупкова был создан компаратор на основе лазерного интерферометра. Помню, моя работа началась с нивелирования подкрановых путей в восточном откосе здания № 13. Мне нужно было с помощью рулетки и нивелира проверить кривизну рельс для последующей регулировки и обеспечения плавного хода крана. В некоторых местах приходилось подниматься под потолок на высоту четыре метра, было очень страшно. Потом было знакомство с электроустановками института (ВЭПП-5, ВЭПП-3 и 4 И ВЭПП-2000, Лазер на свободных электронах) и участие в геодезических работах на них. Первыми проектами, в которых я принимала участие от момента проектирования и до момента реализации, стали ЛИУ-2 и ЛИУ-20.
Андрей Полянский: Тогда добивались необходимых точностей как классическими геодезическими инструментами и методами, так и создавали специальные высокоточные средства измерений и методики. В начале семидесятых годов развитие вычислительной техники дало новый толчок в развитии геодезии на ускорительных комплексах. Стали разрабатываться компьютерные программы для обработки и уравнивания результатов геодезических измерений. Были созданы методики высокоточной нивелировки короткими лучами и косвенного измерения углов в опорных сетях. Высокоточный уровенный динамостат (ВУД) конструкции А.И. Голубцова – устройство для измерения длины линии, разработан в 1971 году. В ИЯФ СО РАН высокоточный уровенный динамостат был модернизирован. Вместо инварных проволок был изготовлен комплект инварных рулеток с перфорированными отверстиями. Это сделало прибор более универсальным.
– А сейчас какие основные инструменты и методы вы используете в работе?
Леонид Сердаков: Сегодня основным инструментом геодезистов является, конечно, лазерный трекер, а метод, который мы используем в работе, называется полярной пространственной засечкой, или полярным методом. Он позволяет с высокой точностью измерять горизонтальные, вертикальные углы и наклонные расстояния до уголкового отражателя, установленного на поверхности объекта. На примере тех же гирдеров, для каждой несущей конструкции и каждого магнитного элемента, который должен быть установлен на ней, есть заранее рассчитанные координаты геодезических знаков. Выполняя их измерения, при последовательных итерациях юстировки можно обеспечить точность взаимного позиционирования элементов на гирдере в 30 мкм при стабильности температуры и отсутствии вибрации.
– С какими точностями вы работаете сегодня при создании ускорительного комплекса СКИФ?
Леонид Сердаков: Например, в Корпусе стендов и испытаний ЦКП «СКИФ» проводилась гирдерная сборка, то есть установка в проектное положение магнитных элементов накопительного кольца, и требуемая точность установки критичных элементов составляла порядка 30 мкм. Проще говоря, оси двух крайних электромагнитов на гирдере могут отличаться от проектного положения на величину в три раза меньше человеческого волоса. Это вызов с точки зрения прикладной геодезии. Для сравнения: допуски на взаимное положение элементов фюзеляжа самолета начинаются от полмиллиметра. Для соблюдения таких высоких требований к пространственному положению магнитной системы требуется специальная методика сборки, которую сначала мы отработали на одном элементе, а потом по ней последовательно начнем собирать все остальные гирдеры, 112 штук. После установки магнитной системы и вакуумной камеры, гирдер будет целиком переноситься в тоннель накопителя. Здесь стоит упомянуть, что помимо прецизионной выставки элементов, нужно обеспечить жесткость конструкции. Когда гирдер с магнитами будет подниматься краном, а потом перевозиться для установки в накопитель, положение оборудования должно сохраниться, никакой элемент не должен поменять своего положения. И, конечно, мы учитываем прогиб всего гирдера, который происходит после переноса на другую локацию, он не должен превышать 15 мкм.
– А что делают геодезисты после того, как объект построен и запущен? Идут на следующий или во время эксплуатации от вас тоже что-то требуется?
Андрей Полянский: Покой нам только снится, ведь мы живем на земле, а здесь постоянно что-то передвигается и перемещается. Любое капитальное строение в течение первых четырех лет после окончания строительства усаживается, идет процесс стабилизации основания фундамента.
– То есть нужно будет следить за сохранением геометрии установки?
Андрей Полянский: Да, это практика для ускорительных центров во всем мире. Через какой-то промежуток времени необходимо повторять юстировку оборудования. Чтобы определить, когда время пришло, нужно проводить геодезический мониторинг.
– Работы очень много и она, как вы говорите, действительно очень объемная, а сколько человек работает в геодезической службе ИЯФ?
Владимир Крапивин на сборке гирдера в Корпусе стендов и испытаний ЦКП «СКИФ». Фото Т.Морозовой.
Андрей Полянский: Получение пучков частиц с расчетными параметрами во многом зависят от соблюдения требований к точности установки элементов магнитной структуры в проектное положение и поддержания их в таком состоянии достаточно продолжительное время. Комплексы могут состоять из тысяч единиц оборудования, которые должны быть смонтированы в единое целое с высокой точностью. Но это специфика нашей профессии. Геогруппа ИЯФ состоит из пяти человек, хотя, разумеется, мы пользуемся услугами подрядчиков. Например, на этапе прокладывания геодезической сети с нами работают геодезисты компании «Геопром». А наш состав изредка пополняется молодыми специалистами, приходят выпускники Сибирского государственного университета геосистем и технологий (СГУГиТ). В целом, подготовка геодезических кадров в стране не изменилась – инженерную геодезию как преподавали, так и преподают, хотя, конечно, в профессии остаются не многие.
Елена Вонда: Сегодня ускорительная геодезия – очень востребованная область, так как в нашей стране реализуется ни один проект класса мегасайенс. Поэтому для нас важно привлекать молодых ребят как в нашу группу ИЯФ, так и в целом повышать интерес к этой сложной и интересной специальности.
Например, я, окончив Сибирскую государственную геодезическую академию и получив квалификацию инженер оптико-электронных приборов и систем, столкнулась, как и многие, с ситуацией, когда опыта еще нет, а он нужен. После нескольких лет работы в разных коммерческих организациях мне предложили поработать в научном институте, и, возможно, по специальности. Честно скажу, колебалась, потому что был внутренний страх перед научным институтом, но в итоге решила попробовать. Так в 2007 году я попала в ИЯФ СО РАН, и сразу в группу геодезии. На тот момент состав группы был немного другой нежели сейчас: Марк Аркадьевич Боков, Юрий Алексеевич Пупков, Андрей Викторович Полянский, Денис Борисович Буренков и Наталья Сергеевна Заиграева, а через полгода после меня пришел студент Леонид Евгеньевич Сердаков. Работа оказалась не совсем по специальности, пришлось обучаться в процессе. За знания и поддержку спасибо моим коллегам. У нас достаточно быстро сложились хорошие отношения – это стало одним из факторов, почему я осталась в ИЯФ СО РАН и работаю здесь по сей день.
Подготовила Татьяна Морозова.