Разработка инфраструктуры для умных станций operando диагностики на источниках СИ и внедрение на МУР КИСИ

Разработка инфраструктуры для умных станций operando диагностики на источниках СИ и внедрение на МУР КИСИ

Целью настоящего проекта является разработка инфраструктуры для умных станций operando диагностики на источниках СИ и внедрение на МУР КИСИ. Цель отчетного этапа: разработка и подготовка к внедрению базовых методик и инфраструктуры для проведения operando диагностики на станции МУР КИСИ, а также создание образовательной базы для подготовки специалистов в этой области. Основные задачи этапа делятся на следующие группы:
- методическая разработка. Создание эскизной конструкторской документации для системы автоматического отбора проб и проточной ячейки, позволяющей изучать реакционные смеси методами рентгеновского рассеяния (SAXS/WAXS). Разработка методики для диагностики в микрофлюидных условиях (stop-flow режим).
- инфраструктурная и экспериментальная подготовка. Подготовка станции МУР КИСИ к измерениям (трассировка пучка, калибровка). Формирование базы данных спектров рентгеновского поглощения и рассеяния для калибровки оборудования. Создание прототипа интеллектуального агента (на базе больших языковых моделей) для управления экспериментом и верификации логики работы оборудования.
- взаимодействие с индустрией и лабораторная отработка. Составление и согласование с организациями реального сектора экономики не менее трех технических заданий на прикладные методики operando диагностики. Отработка лабораторных методик (УФ, ИК, Рамановская спектроскопия) для последующей аттестации образцов, полученных в ходе экспериментов.
- образовательная и кадровая деятельность. Разработка и запуск программ дополнительного образования (ДПО) и мастер-классов по применению синхротронного излучения и микрофлюидных систем для студентов и молодых ученых (план обучения — не менее 20 человек). Организация и проведение Международной школы для молодых ученых и Школы молодых инноваторов «Юный Эйнштейн» для популяризации синхротронных исследований и подготовки кадров.
Основным результатом первого этапа проекта является вывод станции МУР КИСИ на рабочий режим с возможностью настройки отдельных элементов оптического хатча через систему EPICS. Настроено управление детектором и моторами перемещения образца с помощью серверов Tango. Станция подготовлена для комплексных измерений SAXS/WAXS в проточном режиме, для чего разработана методика operando диагностики реакционной смеси в реакционном сосуде пользователей с использованием системы автоматического отбора и дозирования проб. Разработана методика проведения экспериментов в микрофлюидных условиях с использованием режима stop-flow. Для обеспечения контроля измерений разрабатывается верифицированная база данных спектров поглощения и рассеяния стандартных образцов, служащая для калибровки оборудования. Реализованные усовершенствования значительно расширили возможности станции МУР КИСИ, сделав её конкурентоспособной платформой для динамических исследований в материаловедении, химии и биотехнологии. Способность изучать процессы в реальном времени в проточных системах отвечает актуальным запросам научного сообщества и повышает привлекательность установки для пользователей.
Коллектив проекта расширяется за счёт привлечения ведущих специалистов с опытом работы на зарубежных источниках синхротронного излучения: Пётр Конарев (опыт работы в DESY, Гамбург, EMBL), Дмитрий Иванов (опыт работы в ESRF, Гренобль). Члены коллектива работают с ведущими специалистами в области синхротронной диагностики из университета USTC (Хефей, Китай) - S.Q. Wei и Liu Qinghua. Махмуд Еид обучается в аспирантуре ЮФУ и осуществляет взаимодействие с университетом Tanta в Египте. Для обучения передовым подходам к применению микрофлюиных технологий в промышленности двое сотрудников проекта (А. А. Гуда и А. Д. Загребаев) осуществили поездку в Индию (компания Amar microfluidics, Mumbai).
В рамках развития кадрового потенциала в области современных синхротронных исследований на базе станции МУР КИСИ реализован комплекс образовательных мероприятий, направленных на различные уровни подготовки. Для студентов, аспирантов и научных сотрудников-пользователей разработана и реализована специализированная программа дополнительного профессионального образования, посвящённая применению методов in situ и operando диагностики на источниках синхротронного излучения. Повышение квалификации по данной программе прошло на базе Южного федерального университета в режиме онлайн доступа в том числе и для сотрудников внешних организаций. Проведена запись лекций. Дополнительно для углубления практических навыков проведены целевые мастер-классы: по применению микрофлюидных систем для operando диагностики химических реакций и по использованию методов машинного обучения для анализа данных в реальном времени, каждый из которых также охватил аудиторию обучающихся и сотрудников ЮФУ. Значительным вкладом в подготовку молодых учёных международного уровня стала организация и проведение в 2025 году Международной школы для аспирантов и молодых исследователей по перспективным направлениям operando исследований на установках Мегасайенс. Школа включала лекции и мастер-классы ведущих мировых специалистов, а также сессии устных и постерных докладов участников. Для формирования будущего научного поколения организована и проведена Школа молодых инноваторов «Юный Эйнштейн» для учащихся СУНЦ ЮФО и школьников юга России. Этот очный интенсив, включающий лекции и практические занятия с привлечением экспертов, был нацелен на популяризацию синхротронных исследований и раннюю профориентацию. Проведённая работа обеспечивает системное развитие компетенций на всех уровнях — от школьной аудитории до действующих учёных, что создаёт устойчивый кадровый резерв для работы на установках класса Мегасайенс и повышает востребованность отечественной исследовательской инфраструктуры.
В рамках развития сетевой исследовательской инфраструктуры на станции МУР КИСИ ведётся разработка универсального интеллектуального агента, предназначенного для управления экспериментом и анализа данных. Агент создаётся по двум ключевым направлениям. Первое направление — управление operando экспериментом, где проводится тестирование работы больших языковых моделей для верификации логики управления оборудованием станции и корректности задаваемых экспериментальных параметров. Второе направление — интеллектуальный анализ данных, в рамках которого тестируются языковые модели для автоматизированного запуска алгоритмов обработки спектров рентгеновского рассеяния (SAXS/WAXS) и поглощения (XAS). Данная работа направлена на создание основ будущей цифровой инфраструктуры, обеспечивающей дистанционный доступ, автоматизацию экспериментов и интеллектуальную обработку данных. Разрабатываемый агент является важным шагом к формированию единой программно-аппаратной среды, которая в перспективе может быть адаптирована и внедрена на других станциях синхротронных и нейтронных центров страны. Это способствует стандартизации методик, повышению эффективности использования установок класса "Мегасайенс" и интеграции отечественных исследовательских ресурсов в единую сеть.
Все задачи 1 этапа выполнены в полном объёме.