Лазерная физика

Физики создали горизонтальный водопад

2022-02-28T10:19:54+03:00

Artisan Home Entertainment

Помните сцену из «Терминатора-2», где металлическая капля, двигаясь по асфальту как живая, подтекает к ногам робота-убийцы Т-1000 и сливается с ним?

Ученые из Физического института имени Лебедева (ФИАН) увидели похожую картину в своей лаборатории: в их эксперименте капли жидкости самопроизвольно перетекали с места на место по поверхности с микроструктурами, «вырезанными» на них с помощью лазера. Такие поверхности могут использоваться в микрофлюидных биочипах и медицинских экспресс-тестах, которые легко умещаются в кармане. Статья о результатах эксперимента опубликована в журнале Applied Surface Science.

«Обычно капля, упавшая на ровную поверхность, остается на месте. Мы заставили ее двигаться — за счет градиента сил поверхностного натяжения. С помощью лазера мы создали на поверхности микроструктуры с нарастанием ее гидрофильности (смачиваемости), и капли двигаются по ним в сторону, где гидрофильность максимальна. Такой “горизонтальный насос”, например, позволит разделять жидкости с разным коэффициентом поверхностного натяжения, упростить биочипы и микрофлюидные устройства», — говорит соавтор исследования Сергей Кудряшов, ведущий научный сотрудник и заведующий лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН.

Технология перекачки воды с помощью энергии поверхностного натяжения давно изобретена в живой природе. Техасская рогатая ящерица (Phrynosoma cornutum), живущая в пустынях Северной Америки, научилась собирать и перемещать воду, которая конденсируется по ночам на ее теле. Сеть открытых капиллярных каналов, образованных чешуйками, заставляет воду перетекать прямо к ее рту, и этот эффект описывали германские и австрийские ученые.

Steve Hillebrand/U.S. Fish and Wildlife Service

Чтобы воспроизвести его эффект в лаборатории, Кудряшов и его коллеги решили попробовать создать на поверхности градиент поверхностной энергии (натяжения) — то есть сделать так, чтобы степень гидрофобности постепенно снижалась вдоль поверхности от точки к точке в заданном направлении. К сожалению, это нельзя сделать просто уменьшая толщину слоя гидрофобного покрытия на гидрофильном. Сила поверхностного натяжения очень короткодействующая, чтобы «выключить» гидрофильность металла, на него достаточно нанести слой пластика толщиной в одну-две молекулы

«Можно попробовать сделать это химическим способом, то есть создав участки с химически разным покрытием с разной гидрофобностью, но эта поверхность будет очень капризной, потому что любая пыль, любое органическое загрязнение сразу меняет показатель гидрофобности, и такую поверхность трудно отмыть, чтобы восстановить ее нужный уровень», — объясняет Кудряшов.

Поэтому ученые ФИАНа решили воспользоваться тем, что у капли жидкости довольно большая площадь и она «усредняет» показатель гидрофобности на участках с гидрофобным пластиком и с гидрофильным металлом, где пластик удален лазером. Иначе говоря, капля не сможет отличить поверхность с одним показателем гидрофобности в каждой точке от «шахматной доски» той же площади с разными показателями в каждой клеточке, если среднее значение будет одинаковым.

Для эксперимента ученые покрыли стальные пластины размером пять на пять сантиметров миллиметровым гидрофобным полимерным покрытием на основе силоксана. Затем при помощи лазера наносекундными импульсами они прорезали слой покрытия до металла, создавая ряды канавок длиной пять миллиметров и шириной около 100 микрон.

Затем повторной обработкой лазером ученые модифицировали их, расширив их в разной степени. Так на стальной пластинке появились четыре участка с разными показателями гидрофобности - углом контакта смачивания, то есть углом между поверхностью и условно касательной к поверхности капли воды на ней. На гидрофобной поверхности капля воды растекается меньше, поэтому угол смачивания будет больше. На гидрофильной, наоборот, угол будет меньше, так как капля растекается больше. Угол смачивания на четырех участках варьировался от 46 до 13 градусов.

Затем ученые капали водой на разные участки и наблюдали за ее движением.

Движение капли воды в эксперименте — сразу после падения она перемещается вправо.

Капля воды объемом пять микролитров в эксперименте самопроизвольно перемещалась от гидрофобных участков к гидрофильным. Быстрее всего капля двигалась между первым и вторым участками - в этом месте ее скорость достигала 92 миллиметров в секунду.

«Мы сделали такой “горизонтальный водопад”, где жидкость двигается не за счет силы тяжести, а за счет энергии поверхностного натяжения. На гидрофобным участках энергия поверхностного натяжения выше, на гидрофильных меньше и эта разность потенциалов превращается в кинетическую энергию движения», — говорит Кудряшов.

По его словам, такой «водопад» может быть достаточно длинным — несколько десятков сантиметров. «Главное, чтобы граница между участками с разными углами смачивания была не слишком заметной, чтобы вязкое трение не остановило каплю», — объясняет он.

Ученые отмечают, что такие микроструктурированные поверхности могут найти широкое применение в разработке микрофлюидных устройств — бурно развивающейся области, которая уже дала десятки компактных устройств для исследования химического состава воздуха и воды, диагностических медицинских тестов.

Кудряшов подчеркивает, что в эксперименте использовались широко распространенные лазеры. «Это очень доступная технология. Лазер очень простой, с помощью таких делается маркировка, подписываются металлические таблички. Это очень простые и доступные системы, не требуют особых знаний для обслуживания. Поэтому, если при их помощи получится делать микрофлюидные чипы, это будет очень выгодно».

«Умное тепло»: селективная ИК-лазерная инактивация патогенных бактерий

2021-11-17T09:09:39+03:00

Сотрудники ФИАН в рамках сотрудничества с Институтом спектроскопии, Федеральным научным центром им. В.М. Горбатова РАН и Институтом эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи предложили, разработали и готовят к патентованию инновационный способ ИК-лазерной инактивации патогенных бактерий путем высоко-локального селективного возбуждения и структурной трансформации функциональных групп органелл патогенных бактерий. Этот способ хорошо зарекомендовал себя для инактивации планктонных образцов ряда патогенных микроорганизмов III-ей и IV-ой группы in vitro и может применяться в мобильном варианте для дезинфекции и стерилизации помещений медицинских учреждений и пищевых производств.

Практические способы борьбы с патогенными бактериями в медицинских учреждениях и на пищевых производствах требуют мобильных и высокопроизводительных бактерицидных средств, к которым обычно относят в первом случае прямую или косвенную УФ-обработку (кварцевание, озонирование), а во втором случае – паровую или химическую обработку. В первом случае обработка нацелена на фотолитическое или фотохимическое повреждение важных функциональных молекул (например, белков и нуклеиновых кислот) бактерий, тогда как горячий пар или химические реагенты на пищевых производствах разрушают надструктуру белков и других основных компонент клеточной оболочки, нарушая клеточный метаболизм. И, хотя высокотемпературная обработка традиционно является базовым средством борьбы с патогенными бактериями при обработке продуктов, прямое инфракрасное (ИК) воздействие для этих целей до сих пор тестировалось только в лабораториях. В частности, использовались элементы накаливания, нагреваемые до различных высоких температур (< 1000 градусов Цельсия) со спектром, определяемым законом смещения Вина. В результате, заметный эффект – снижение жизнеспособности бактерий на 2-3 порядка - наблюдался только в случае, когда спектральный максимум теплового излучения лежал в области около 6 мкм, а не 3 или 4.5 мкм. Согласно характерной структуре ИК-спектра большинства бактерий (смотри, например, Рисунок 1), в области 2.7-3.3 мкм лежат колебания углеродного скелета и ОН,NH-групп, тогда как основные функциональные – нуклеиновые, белковые, пептидные молекулы бактерий проявляются в диапазоне 6-11 мкм.

Рисунок 1. Слева: Характерный ИК-спектр бактерий и спектры ИК-лазерных фемтосекундных импульсов. Справа: Принцип инактивации бактерий при облучении с длиной волны 3 и 6 мкм

В рамках сотрудничества с Институтами спектроскопии и Федеральным научным центром им. В.М. Горбатова РАН, Институтом эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи сотрудники ФИАН предложили, разработали и готовят к патентованию инновационный способ ИК-лазерной инактивации патогенных бактерий путем высоко-локального селективного колебательного возбуждения и конформационно-структурной трансформации функциональных молекул органелл патогенных бактерий. Проведенные исследования с излучением среднего ИК-диапазона показали, что селективное воздействие фемтосекундного лазерного излучения с длиной волны около 6 мкм на относительно редкие, но сильнопоглощающие амидные группы нуклеиновых кислот, белков и пептидов из-за сильного и локального поглощения (Рис.1) отвечает более низкому порогу инактивации бактерий (Рис.2), чем сильное колебательное возбуждение всего углеродного каркаса излучением с длиной волны 3 мкм (Рисунки 1 и 2). В целом, этот подход хорошо зарекомендовал себя для инактивации планктонных патогенных микроорганизмов III-ей и IV-ой группы in vitro (снижение показателя КОЕ на пять порядков - до нуля) и может применяться в мобильном варианте для дезинфекции и стерилизации помещений медицинских учреждений и пищевых производств.

Рисунок 2. Результаты анализов жизнеспособности бактерий после ИК-лазерной обработки образцов излучением с длиной волны 3 мкм и 6 мкм в зависимости от интенсивности излучения.

Инновационные результаты исследований опубликованы в статьях «Spectrally-selective mid-IR laser-induced inactivation of pathogenic bacteria» в высокоцитируемом журнале Biomedical Optics Express и «Фемтосекундная лазерная ИК-спектроскопия характеристических молекулярных колебаний бактерий в области 6 мкм» в журнале Письма в ЖЭТФ, а также представлены в приглашенных и устных докладах на профильных международных конференциях 2021 года.

См. также:
1) Kompanets V. et al. Spectrally-selective mid-IR laser-induced inactivation of pathogenic bacteria //Biomedical Optics Express. – 2021. – Т. 12. – №. 10. – С. 6317-6325.
2) Компанец В. О. и др. Фемтосекундная лазерная ИК-спектроскопия характеристических молекулярных колебаний бактерий в области 6 мкм //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2021. – Т. 113. – №. 6. – С. 365-369. (*.pdf)

АНИ «ФИАН-информ»

Протон меньше, чем мы думали

2017-10-06T11:43:27+03:00

Совместная группа ученых ФИАНа и немецкого Института квантовой оптики общества Макса Планка (MPQ) провела эксперимент, в ходе которого было определено новое значение радиуса протона. Полученные данные дают возможность по-новому взглянуть на так называемую «загадку радиуса протона» – несоответствие между результатами старых и новых экспериментов. Статья, посвященная исследованию, опубликована в журнале Science.^[1]

Ранее величина протонного радиуса считалась равной 0.8775 фемтометра (1 фемтометр = 10^-15 метра). Это значение было получено после усреднения результатов различных экспериментов, таких как изучение столкновений протонов с электронами и спектроскопия атома водорода. В спектроскопических экспериментах ученые измеряли длину волны света, который поглощает атом водорода при переходе из одного энергетического состояния в другое, и, сравнивая измеренное значение с теоретическими предсказаниями, вычисляли радиус протона.

Однако в 2010 году случилось неожиданное: аналогичные эксперименты с экзотическими атомами мюонного водорода, в которых вместо электрона вокруг ядра вращается мюон, дали значение радиуса протона, равное 0.8418 фемтометра. Расхождение с предыдущими данными оказалось в 5 раз больше погрешности эксперимента. Такое несоответствие породило целую серию возможных объяснений – от ошибок в эксперименте до несовершенства квантовой электродинамики, которая в данный момент считается наиболее полной общепринятой теорией. Допускалось, что квантовая электродинамика не описывает какое-то важное взаимодействие частиц в мюонном водороде, и дальнейшие исследования позволят обнаружить «новую физику». На отличие мюонных атомов от обычных указывали и другие исследования.

Экспериментальная установка в Институте квантовой оптики общества Макса Планка 
Фото предоставлено участниками исследований

Прояснить ситуацию был призван эксперимент, задуманный директором ФИАНа Николаем Николаевичем Колачевским и осуществленный в лаборатории немецкого института MPQ. В ходе исследования изучался переход между энергетическими уровнями 2S и 4P при взаимодействии охлажденных атомов обыкновенного водорода с излучением лазера. Ученые обнаружили, что существенные поправки к результату дает эффект квантовой интерференции при распаде энергетических уровней, который хорошо известен в ядерной физике, однако оставался незамеченным в оптических исследованиях. В течение года группа производила тщательные расчеты и перепроверку результатов, а затем опубликовала новое значение радиуса протона. Оно составило 0.8335 фемтометра, что в пределах погрешности совпадает с данными по мюонному водороду.

Идет настройка оборудования
Фото предоставлено участниками исследований

Таким образом, говорить о наличии «новой физики» в мюонных атомах преждевременно. Однако по-прежнему остается до конца невыясненным, в чем же причина существенного расхождения результатов последних экспериментов с предыдущими. Как сообщают авторы исследования, анализ погрешностей не дает удовлетворительного ответа на этот вопрос, поэтому для прояснения ситуации, безусловно, потребуются новые эксперименты и более детальное изучение других энергетических переходов в атоме водорода.

К. Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»

_______________________

^[1] A. Beyer, L. Maisenbacher, ..., Ks. Khabarova, ..., N. Kolachevsky, The Rydberg constant and proton size from atomic hydrogen, Science vol 357, iss 6359. К тексту

С ультрафиолетовой точностью

2016-05-18T11:33:33+03:00

Использование когерентного излучения ультрафиолетового диапазона для охлаждения атомов и ионов могло бы обеспечить прорыв в области оптических стандартов частоты, выведя их на новый качественный уровень. Однако до недавнего времени создание таких оптических часов было весьма проблематично. Но, кажется, решение проблемы не за горами, благодаря созданию нового научного объединения – Международной лаборатории Global Alliance Laboratory.

Появление лазеров помогло в создании оптических стандартов частоты (или – оптических часов), столь необходимых для решения задач метрологии, для прецизионных экспериментов, космических исследований и множества других областей. Современные оптические стандарты работают путем регистрации сверхузких переходов на холодных и ультрахолодных атомах и ионах. Относительная воспроизводимость и стабильность частоты современных оптических стандартов достигает 10^-15–10^-16. Основным элементом в таких системах служат охлаждающие лазеры, к которым предъявляются довольно серьезные требования по энергетике, ширине линии и перестройке длины волны.

Дальнейший успех в этой области, позволяющий улучшить воспроизводимость и повысить стабильность до 10^–18 и выше, достижим при использовании лазерных источников, дающих когерентное излучение в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ). К тому же с их внедрением упрощается и сама схема оптических часов. Однако здесь возникает проблема с созданием «подходящего» источника.

Рассказывает руководитель Отделения оптики ФИАН Анатолий Викторович Масалов:

«Создание источника когерентного ВУФ-излучения, пригодного для охлаждения атомов и ионов в задачах спектроскопии высокого разрешения и метрологии оптических частот, является вызовом современным исследователям в области лазерной физики. Известные сегодня ВУФ-источники – громоздки и неудобны для решения подобных задач. Да и энергия генерируемое ими излучения недостаточна для манипулирования атомами и ионами, что также затрудняет их использование.

Для создания нового поколения стандартов частоты необходимы лазерные источники с длинами волн в диапазоне 30-200 нм с возможностью плавной перестройки вблизи актуальных длин волн. Поиски возможных решений ведутся в разных направлениях, но наиболее надежный и универсальный способ генерации требуемого излучения до сих пор не найден».

В Отделении оптики ФИАН на протяжении многих лет ведутся исследования, связанные с генерацией и спектроскопическими применениями излучения в ВУФ- и примыкающих к нему диапазонах. Однако именно эту конкретную задачу по созданию источника когерентного ВУФ-излучения требуемой мощности для охлаждения атомов и ионов в силу различных причин – от технических до экономических – решить не удалось.

Подписание Соглашения о научном сотрудничестве между МФТИ, UEC и ФИАН в рамках
Международной лаборатории Global Alliance Laboratory, 23 октября 2015 г., Москва.
Слева направо: проф. Н. Хамано (UEC), проректор МФТИ Т.А.-Х. Аушев, проф. Т. Моришита (UEC), директор ФИАН Н.Н. Колачевский, И.Ю. Толстихина (ФИАН-МФТИ-UEC), вице-президент UEC К. Абе, проф. А.Ю. Деревнина (МФТИ), ректор МФТИ Н.Н. Кудрявцев, проф. С.Ю. Савинов (ФИАН-МФТИ)

Здесь надежды возлагаются на недавно созданную международную коллаборацию – Международную лабораторию Global Alliance Laboratory, которая объединяет ФИАН, МФТИ и UEC (University of Electro-Communications, Токио).

«За последние годы в научных журналах появились публикации группы японских исследователей из UEC, где разрабатывается лазерный источник когерентного ВУФ-излучения на основе многократного комбинационного рассеяния света. Теоретические расчеты и первые эксперименты продемонстрировали обнадеживающие результаты. Работа в рамках Международной лаборатории позволит объединить опыт японских исследователей с достижениями ФИАН в области охлаждения атомов. Так что здесь наши интересы сошлись: у них есть задел по источнику ультрафиолетового излучения, у нас – куда его применить» – рассказывает Анатолий Викторович.

Стоит отметить, что в Отделении оптики ФИАН накоплен внушительный экспериментальный опыт по охлаждению атомов и ионов: здесь созданы ловушки охлажденных атомов рубидия, тулия и ионов алюминия. В действующих установках удержание и охлаждение атомов и ионов осуществляется с помощью многочисленных непрерывных перестраиваемых полупроводниковых лазеров, работающих в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Опыт ФИАНа и высокий научный и экспериментально-технический потенциал UEC позволяют давать самые оптимистичные прогнозы в отношении «ультрафиолетовых» оптических часов. По оценкам А.В. Масалова, первых интересных результатов можно ожидать в ближайшие годы.

Участники международных научных конференций МФТИ-UEC-ФИАН.
Слева: 2013 г. – 1-ая научной конференции, ФИАН, г. Москва.
Справа: 2014 г. – 2-ая научная конференция, UEC, г. Токио

«Конечно, это не единственная область нашего сотрудничества с японскими коллегами, есть ряд других направлений. Например, учебно-научные конференции МФТИ-UEC-ФИАН и совместные экспериментальные исследования на базе каждого из участников коллаборации.

Но на мой взгляд, проблема источника когерентного ВУФ-излучения – одна из наиболее важных и интересных. Решение задач манипулирования атомами и ионами с его использованием обеспечит прогресс в фундаментальной спектроскопии (например, прецизионные измерения энергий переходов в атомах), в области удержания и охлаждения атомов и ионов в ловушках, в задаче создания оптических стандартов частоты и ряде других фундаментальных и прикладных областях физики. Особый интерес представляет создание ловушек и охлаждение атомов водорода и антиводорода. Есть и такие не менее важные практические применения, как повышение стабильности и надежности связи или же совершенствование работы системы ГЛОНАСС» – отметил в заключение Анатолий Викторович.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

Лазерной терапии нужен свет и кислород

2015-10-07T18:18:44+03:00

В материале «Облученные лазером» ФИАН-информ рассказывал об исследованиях по применению лазеров ультрафиолетового диапазона в медицине, проводимых в ИОФ РАН. Подобные исследования проводятся и в ФИАНе, но в ином, красном и инфракрасном световом диапазоне. Здесь сначала выяснили природу фоторецептора, который запускает лечебный эффект при лазерном облучении крови красным светом внутривенно. Фоторецепторами неожиданно оказались молекулы растворенного в крови кислорода. Теоретически кислородная фоторецепция возможна и в ультрафиолете. О перспективах применения светолечения рассказал ведущий научный сотрудник ФИАН Станислав Дмитриевич Захаров.

Мы знаем, что без кислорода на нашей планете не было бы жизни. Теперь нам открылась новая грань этой необычной молекулы: присутствуя в кровеносной системе или просто в воде, она способна поглотить проникающие туда фотоны (правда, определенной частоты) и на краткое мгновение превращаться в иную, активную форму. За это время окисление биомолекул обычно не успевает произойти, молекула вынуждена вернуться в исходное состояние, передав избыточную энергию водному окружению в форме теплоты. В реальной процедуре лазерной терапии тепловой эффект ничтожен, тем не менее налицо удивительный факт: у лиц, страдающих ишемической болезнью сердца, после двухнедельного курса резко улучшаются все значимые показатели. Однако врач должен быть осторожен: стимуляция превращается в свою противоположность – у пациента обостряются скрытые болячки,- если только превысить оптимальную световую дозу. Тем не менее, повреждающий потенциал светокислородной терапии также можно использовать во благо, а именно, в онкологии - для бескровного разрушения опухолей. В этом случае вместо милливатной световой мощности от лазера требуется уже несколько ватт.

Водная компонента крови превышает половину ее объема, из-за чего механизмы светостимуляции тесно связаны со свойствами воды. На разгадку ее тайн в очень малых, наноразмерных масштабах направлены сейчас усилия многих лабораторий мира, причем в качестве технического инструментария привлекаются современные ускорители. Это сложная проблема, полагаю, сложнее бозона. Когда же в воде растворен кислород, то возникают новые вопросы, и здесь не обойтись без помощи химии и биологии. В то же время кислород в состоянии газа изучен хорошо; в ультрафиолете эта молекула способна поглощать фотоны сильнее, чем в красном. Но автоматически переносить светокислородный механизм на этот диапазон некорректно: здесь у кислорода найдется немало конкурентных классических фоторецепторов. И все же, на мой взгляд, кислородную гипотезу для УФ медицины следовало бы проверить в первую очередь.

Нельзя не сказать о предшественниках. Светолечение практиковалось в глубокой древности шумерами, но как научное направление оно берет начало от работ датского врача Нильса Финзена, отмеченных Нобелевской премией в 1903 г. Финзен применял дуговую лампу и светофильтр, пропускавший красный свет, для лечения оспы. Также примечательно, что для лечения туберкулеза он использовал ультрафиолет.

Затем в истории светотерапии было длительное затишье, вплоть до открытия лазеров. Врачи-исследователи попробовали применить первый, гелий-неоновый лазер; он также излучал в красном диапазоне. Они разработали метод внутривенного облучения, используя для ввода света в кровь стеклянные световоды; особенно известны работы сибиряков Е.Н. Мешалкина и В.С. Сергиевского, физика из Минска В.А. Мостовникова а также группы московских врачей под руководством И.М. Корочкина, которым помогали ученые из Института радиоэлектроники. Достижения москвичей в лечении болезней сердца в конце 80-х гг. были отмечены Государственной премией СССР.

Параллельно и совершенно независимо в Ленинграде (Петербурге) разрабатывался другой способ – облучение крови ультрафиолетом (УФ), для чего использовались ртутные лампы. Так как УФ поглощается кожей и почти не доходит до кровеносных сосудов, был разработан метод «временного переливания крови»: сначала в кварцевый сосуд (т.к. кварц прозрачен для УФ лучей), где кровь облучалась, а затем переливалась обратно. Обширный обзор метода можно найти в книге С.А. Снопова «Экстракорпоральная гемотерапия». Большой вклад в разработку метода внесла фотобиолог Кира Александровна Самойлова с сотудниками, поддержанная другим знаменитым лазерщиком, Нобелевским лауреатом Жоресом Ивановичем Алферовым.

В начале 90-х гг., в результате исследований, выполненных в ФИАНе при поддержке Нобелевского лауреата Николая Геннадиевича Басова, одного из первооткрывателей лазера, стало ясно, что в основе лазерной терапии лежит светокислородный эффект (СКЭ), который учёные определили как повреждение, а при небольших дозах - активирование живых клеток в результате фотогенерации нестабильного (синглетного) кислорода из обычного О_2,растворённого во внеклеточной водной среде.

В ходе исследований на эритроцитах человека удалось обнаружить, что наиболее эффективным с точки зрения возбуждения светокислородного эффекта являются на удивление малые световые дозы и излучение в инфракрасной кислородной полосе 1264 нм.

Сравнение спектров действия (зависимость относительной эффективности СКЭ от длины волны)
на клетки со спектром поглощения кислорода O₂

Вот как Станислав Дмитриевич объясняет возможный механизм светокислородной терапии:

«И в артериальной, и венозной крови человека много растворенного кислорода, и хотя он слабо взаимодействует с фотонами по причинам, связанным с фундаментальными принципами квантовой механики, в водной среде такой запрет заметно ослаблен. Поглотив фотон, молекула О₂, перестраивает свою электронную оболочку за очень короткое время (фемтосекунды); новое состояние отличается от исходного, обладающего магнитным полем, отсутствием электронного магнетизма. Свербыстрое исчезновение магнитного поля сопровождается мощной «магнитной встряской» в соседней молекуле воды, обладающей ядерным магнетизмом за счет ядер водорода (таких молекул в воде большинство). Раз уж магнитная перестройка началась, она распространяется по всему водному объему как магнитный переключатель, пока не доберется до одной из водных (гидратных) оболочек клеток или биомолекул. Можно сказать, что в гидратной оболочке возникает магнитный дефект, и когда их наберется достаточно много, то гидратная оболочка перестраивается, вызывая структурные изменения в белковой молекуле (или клетке). Когда же количество таких активированных белков превысит критический уровень, в новое состояние лавинообразно переходит вся кровь. В конечном счете, это приводит к лечебному эффекту».

Перенос магнитного возбуждения в водных средах на большие расстояния и сопутствующие физико-химические эффекты – беспрецедентный и мало изученный процесс, бросающий вызов научному сообществу.

«Светокислородный эффект недавно наблюдался в чистой (дистиллированной) воде С.В. Гудковым и др. в Пущино, в академическом Институте экспериментальной и теоретической физики. Кратковременное и очень слабое (милливатты) инфракрасное облучение на длине волны 1264 нм приводило к продолжительной квазипериодической люминесценции воды, возникающей из-за рекомбинации радикалов, причем была отмечена связь с биоритмами. Подтверждается, что биологический отклик является следствием структурных изменений в воде. И хотя у физиков еще много дел, для медицинских и биотехнологических применений путь открыт. И теоретически и практически доказано, что светокислородная терапия эффективна и более безопасна, чем нынешние фармпрепараты, при условии следования проверенным и немудреным рекомендациям. Задержка только в одном: метод крайне дешевый, а потому сейчас отторгается чрезмерно коммерциализированным здравоохранением. Вместе с энтузиастами ультрафиолетовой терапии скорее бы удалось пробить эту стену», - говорит С.Д. Захаров.

К одной цели можно двигаться разными путями. Терапия с использованием красного света развивается уже больше века в Европе, Азии и Америке. Примерно столько же времени насчитывает и история медицинского ультрафиолета. Эти два направления развивались совершенно независимо. Теперь они пересеклись – на время или навсегда?...

Беседовала И.Герасимова, АНИ «ФИАН-информ»

Выбросы метана распознают быстрее

2015-05-14T14:27:19+03:00

В Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) создан прототип быстродействующего лазерного спектрометра. Концентрация примесей в газе измеряется в нём с помощью нового метода R-ICOS: подавляя фазовые шумы на высоких частотах, технология значительно расширяет динамический диапазон измерений и повышает их скорость.

Медицина, экология, химия, геологическая разведка и добыча природных ресурсов, предупреждение техногенных катастроф – во всех этих областях очень важно точное детектирование газовых примесей. Особенно подходят для этого оптические, или спектроскопические, методы, в которых примеси распознаются по поглощению ими лазерного излучения.

Среди лазерных методов спектрального газоанализа сегодня активно развивается рингдаун-спектроскопия (от cavity ring down spectroscopy (CRDS) – «спектроскопия внутрирезонаторного затухания»), базирующаяся на измерении времени затухания излучения. Этот принцип лёг в основу оптических схем измерений поглощения, где спектр выявляют по амплитуде или фазе излучения в резонаторе^[1].

Наиболее популярной стала схема, в которой используются непрерывные лазеры и анализ проводится по изменениям интенсивности излучения на выходе из резонатора при перестройке частоты. При этом регистрируют уже не затухание света на каждой длине волны, а интегральный сигнал, поэтому метод получил название integrated cavity output spectroscopy (ICOS) – «спектроскопия интегрального внутрирезонансного выхода».

Серьёзным препятствием на пути развития ICOS становятся флуктуации проходящего через резонатор сигнала. Они появляются из-за рассогласования частот лазерного излучения и собственных частот резонансных ячеек (в некоторых случаях флуктуации могут доходить до 100 %). Существуют разные варианты решения этой проблемы, например – длительное накопление сигнала или неосевой ввод излучения в резонатор. Однако в их основе лежит усреднение сигнала по времени или частоте, а значит – детектирование идёт медленнее.

Учёные из ФИАН предложили новый подход^[2] к устранению этой трудности – метод R-ICOS (reflection ICOS). В нём световой сигнал, полученный методом ICOS, комбинируется с сигналом излучения, отражённым от резонатора. При этом вместо одного лазерного луча, как принято в ICOS, здесь участвуют три пучка. Они проходят через внешний резонатор с поглощающей средой и отражаются от него.

Рассказывает ведущий научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Сергей Цхай:

«Идея очень простая. Мы берём ту же осевую моду, смотрим, что на выходе, и смотрим то, что отражается от резонатора. И просто по закону сохранения энергии те же самые флуктуации мы будем видеть в отражении. Поэтому если эти показатели сложить и сравнить с падающим лазерным излучением, получаем, вообще говоря, ноль. Если есть потери, связанные с поглощением в резонаторе, то они будут там проявляться, потому что будут отклонения».

Спектр поглощения метана:

красный – R-ICOS (время регистрации 320 мкс), зелёный – R-ICOS (5 мс), синий – ICOS (50 с)

Поскольку флуктуации сигнала подавляются в каждый момент времени, без усреднения сигнала, спектры поглощения можно регистрировать за короткое время – до 320 мкс). При этом время ограничивалось возможностями электроники (в первую очередь, преобразователя), и с использованием более быстродействующих приборов может существенно сократиться.

R-ICOS значительно улучшает и чувствительность детектирования. Так, при измерениях за один цикл быстрого сканирования она уже более чем на порядок превышает чувствительность стандартного метода ICOS в аналогичных условиях. При времени усреднения 20 секунд были измерены коэффициенты поглощения с чувствительностью ~2 × 10^–8 см^–1, что сопоставимо с концентрацией молекул в 40 раз меньше фоновой (в качестве образца в экспериментах участвовал метан).

Новый метод показывает высокую эффективность и в оптически плотных средах^[3], а значит – открывает новые возможности в предсказании взрывов, выбросов метана в шахтах и других катастрофических явлений, при которых скорость и точность детектирования газов критически важна.

О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»

_________________________________

[1] Фазовый метод построен на сопоставлении сдвига фазы модулированного по амплитуде излучения на выходе из объекта с фазой излучения, падающего на объект. В оптике подобный способ используется с 1933 года для измерения времён жизни возбуждённых состояний частиц. В 1980 году с его помощью было определено время жизни фотона в оптическом резонаторе, составленном из зеркал. К тексту

[2] П.В. Короленко, И.В. Николаев, В.Н. Очкин, С.Н. Цхай, Регистрация абсорбционных спектров интегральным трехлучевым методом с использованием перестраиваемого лазера и внешнего резонатора // Квантовая Электроника. – 2014. – Т. 44(4). – C. 353–361. К тексту

[3] A.S. Kostenko, I.V. Nikolaev, V.N. Ochkin, S.N. Tskhai and A.A. Zaytsev, Application of R-ICOS laser spectroscopy technique for measurement of absorption in optically dense media // Laser Physics Letters. – 12 (2015). К тексту

Усовершенствованный лазерно-электронный источник рентгеновского излучения для медицинской диагностики

2015-04-07T16:49:35+03:00

Новый рентгеновский источник создаётся на базе гибридной установки, включающей в себя сильноточный электронный ускоритель и лазер, дающий интенсивные световые импульсы. При столкновении электронного пучка с лазерным лучом испускается рентгеновское излучение, которое используется для медицинской диагностики в режиме реального времени.

Разработка лазерно-электронного источника

Отсутствие источников интенсивного рентгеновского излучения, массово доступных на уровне предприятий и исследовательских организаций, препятствует развитию новейших рентгеновских методов и технологий, а также их широкому использованию в науке, медицине и других отраслях.

Имеется объективная потребность в новом источнике рентгеновского излучения, который заполнил бы разрыв, образовавшийся между рентгеновскими трубками и синхротронными центрами. От лабораторных генераторов на рентгеновских трубках такой источник должен унаследовать компактность и относительно невысокую стоимость, а от центров СИ – высокую интенсивность рентгеновского пучка и возможности управления его параметрами.

Рентгеновский источник, отвечающий сформулированным требованиям, может быть создан на основе комплексных установок, которые объединяют компактный сильноточный электронный ускоритель и лазер, испускающий интенсивные световые импульсы. Рентгеновское излучение в этом случае генерируется при встречном столкновении релятивистского электронного и лазерного пучков. Соответствующий элементарный процесс хорошо изучен и носит название томсоновского или комптоновского рассеяния.

Разработка рентгеновских источников, основанных на томсоновском рассеянии пикосекундных лазерных импульсов на релятивистских электронах, ведётся в США, Японии, Китае, Франции, Великобритании, Италии, России, Германии, Катаре.

В ФИАНе этому уделяется значительное внимание в течение ряда лет, было опубликовано более 20 работ. Как правило, схема источника включает квазинепрерывный пикосекундный лазер и оптический резонатор, предназначенный для увеличения выхода рентгеновских фотонов.

Резонатор позволяет в несколько тысяч раз повысить мощность лазерного излучения в точке взаимодействия с электронным пучком. При этом для длительности импульса 10 пс достигнутый в мире уровень не превышает 670 кВт. Причина ограничения – нарастание фазовых искажений, вызванных пространственно неоднородным нагревом зеркал резонатора под действием запасенного в нем излучения. Несмотря на это, ожидаемая мощность рентгеновского излучения лазерно-электронных источников, оптическая система которых основана на резонаторе, достаточна для целого ряда практических приложений.

В случае применения в медицине и биологии необходима покадровая съёмка с частотой повторения 25–30 Гц и характерным временем экспозиции, не превышающим временной масштаб внутренних движений исследуемых объектов (~1 мс).

Специалистами ФИАН предложено новое техническое решение, которое позволяет удовлетворить это требование к Томсоновскому рентгеновскому источнику: вместо пустого резонатора использовать оптический циркулятор (резонатор с оптическим ключом). При этом излучение циркулирует в резонаторе только во время экспозиции и тепловая нагрузка уменьшается.

Возможны два типа циркуляторов:

1) в схеме с электрооптическим ключом за счет выбора материала кристалла (BBO) предполагаемый выигрыш высок, но не превышает 100;

2) в схеме с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники (кристалл LBO) ожидаемый выигрыш составляет от 100 до 300, (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Лазерно-электронный источник для разностной ангиографии
вблизи К-края поглощения йода

Несмотря на меньший ожидаемый выигрыш, схема импульсно-периодического источника позволяет не менее чем на порядок повысить мощность рассеиваемого на релятивистских электронах излучения во время формирования кадра.

Томсоновский источник рентгеновского излучения для медико-биологических применений требует разработки генератора последовательности пикосекундных лазерных импульсов с общей длительностью ~1 мс, межимпульсным интервалом 1–2 мкс, частотой повторения 25–30 Гц и средней мощностью до 1 кВт.

Предполагается использовать активные среды на основе Nd:YLF и Nd:YAP. Развитие методов управления лазерным излучением за счет комбинации двух обратных связей позволило экспериментально реализовать задающий лазер с регулируемой временной структурой излучения, необходимой для эффективной работы лазерно-электронного томсоновского источника.

Использование лазерно-электронного источника в медицине

Наиболее точным способом диагностики состояния сосудов, питающих сердце, является ангиография – метод получения изображения в рентгеновском диапазоне. В настоящее время обследование фактически является операцией и требует предварительной подготовки. Пациенту под контролем рентгеновского телевидения через бедренную артерию вводят в область сердца катетер, который будет впрыскивать соединение, содержащее йод или гадолиний, для повышения контраста. Далее мощность рентгеновского излучения включают на максимум и записывают изображение исследуемой области. Изображение получают с помощью рентгеновской трубки в широком спектральном диапазоне.

Такая диагностика имеет ряд недостатков: существует определенный риск осложнений при катетеризации артерии и из-за высоких концентраций вводимых контрастных веществ. Более того, врачи вынуждены находиться рядом с пациентом и получают свою дозу облучения.

С помощью ангиографии врачи принимают окончательное решение о необходимости искусственного расширения (стентирования) суженных сосудов (см. рисунок 2), а также проводят оценку состояния при постоперационном наблюдении в долговременной перспективе, регулярно.

Стентирование коронарных артерий – один из методов лечения ишемической болезни сердца, позволяющий увеличить и сохранить просвет пораженной артерии длительное время.

Рисунок 2. Стентирование сосуда (Источник wikipedia.org)

Избавиться от существующих недостатков позволяет метод, предложенный еще в 1953 году. На графике (см. рисунок 3) показан коэффициент поглощения йода, а также тканей организма, в зависимости от энергии рентгеновского кванта. Резкое изменение на значении ~33 кэВ называется K-скачком поглощения. Получая два изображения одновременно на двух энергиях справа и слева от К-скачка, с последующим их вычитанием, можно увеличить контраст, а это значит снизить дозу или концентрацию контрастного агента.

Рисунок 3. К-скачок поглощения
(Источник: T. Dill et al., Intravenous coronary angiography with synchrotron radiation.
Medical Applications of Synchrotron Radiation, M. Ando, C. Uyama (Eds.),
Eur. J. Phys. 19, 499–511, 1998)

Однако на момент возникновения этой идеи ее осуществление на основе монохроматизации спектра рентгеновских трубок не предствалялось возможным. Только в конце предыдущего века начались работы по ее реализации с использованием синхротронного излучения. Задача казалась настолько актуальной, а ее решение настолько многообещающим, что одновременно были поддержаны национальные программы в США, Японии, Франции, Германии.

Существенным моментом в таком способе диагностики является временная структура излучения. Во всех экспериментах использовался специально разработанный механический прерыватель, обеспечивающий время экспозиции, необходимое для устранения смазывания изображения из-за физиологических движений.

Характерное время экспозиции лежит в диапазоне долей-единиц миллисекунд. Необходимо понимать, что при этом большая часть синхротронного излучения прерывателем отрезается.

Младший научный сотрудник Лаборатории фотоники молекул ФИАН Юлия Маслова так прокомментировала сложившуюся ситуацию:

«Исследования по двухволновой методике, проведенные на сотнях пациентов, подтвердили возможность коронарной ангиографии без катетеризации. В итоге с использованием синхротронного излучения была доказана возможность получения изображения с внутривенным вводом контрастного агента, когда до прихода к сердцу он разбавляется в 40 раз. К сожалению, о практическом применении говорить было преждевременно из-за масштабов установок и их высокой стоимости, поскольку речь идет о синхротронах с энергией несколько гигаэлектронвольт и диаметром кольца порядка 20 м. В дальнейшем проведение ангиографии на синхротронах было признано нецелесообразным из-за высокой стоимости. В настоящее же время, в связи с совершенствованием технологий, появилась возможность реализовать этот метод на рентгеновском источнике принципиально нового типа, основанном на томсоновском рассеянии».

Лазерно-электронный источник можно отнести к системам промежуточного класса по светимости рентгеновского излучения. Они могут успешно заполнить нишу между лабораторными источниками на базе рентгеновских трубок и синхротронами.

По сведениям, полученным ФИАН-Информ, работа получила международное признание как оригинальный проект из России.

Ю. Маслова, ФИАН

В. Жебит, АНИ «ФИАН-Информ»

_________________________________________

От редакции. Возможность практического применения лазерно-электронного рентгеновского источника в медицине была обоснована сотрудниками ФИАН, в том числе, в работах, представленных в данном списке.

Как научить атом снайперской точности

2015-03-31T15:44:41+03:00

Новые результаты в физике недостижимы без тончайших экспериментов на грани инструментальных возможностей. К таким работам принадлежат и проводимые в лазерной оптике эксперименты по оценке поляризуемостей уровней атомов. Об одном из таких исследований, проводимых в лаборатории оптики активных сред ФИАН, рассказал научный сотрудник ФИАН С.А. Снигирев.

Задачами серии экспериментов, проводимых научной группой лаборатории оптики ФИАН, являлась оценка штарковских сдвигов в атомах рубидия и оценка поляризуемостей 5D уровней. Эффект Штарка заключается в наблюдении сдвига энергетических уровней атомов под воздействием внешнего электрического поля или внешнего нерезонансного воздействия (например, под действием света).

Рассказывает Степан Александрович Снигирев:

«Исследуемый 5D-уровень атомов рубидия широко используется в спектроскопии, поскольку двухфотонный переход 5S ↔ 5D является рекомендованным Международным Комитетом Мер и Весов для определения вторичного стандарта метра и активно используется в метрологии. Кроме того, 5D уровень часто используется в качестве промежуточного для возбуждения атомов на ридберговские уровни.

Представьте себе, что под влиянием внешнего поля произошел сдвиг уровней, и – эталон метра сразу же потерял точность. Достаточно только этого примера, чтобы понять важность нашей работы».

В своих экспериментах исследователи ФИАНа проводили измерения поляризуемостей 5D уровней в холодных атомах рубидия.

Облако холодных атомов обладает несколькими замечательными свойствами: низкая температура атомов в облаке, их плотная локализация в пространстве и отсутствие столкновений, большое время жизни атомов и возможность проведения абсолютных измерений, благодаря известному распределению атомов в пространстве. Каждое из этих свойств само по себе дает существенное преимущество в эксперименте, а их одновременное присутствие сделало облака холодных атомов незаменимыми инструментами в спектроскопических исследованиях.

Одним из важных преимуществ холодных атомов является практически полное подавление доплеровского уширения. При комнатных температурах доплеровское уширение составляет несколько гигагерц. Характерная температура атомов в облаке составляет несколько сотен микрокельвин, что соответствует доплеровскому уширению в несколько мегагерц. Это дает возможность исследовать спектральные линии почти естественной ширины и, в частности, различать переходы на сверхтонкие компоненты уровней.

Используя облако холодных атомов, помещенное между обкладками плоского конденсатора, удалось зарегистрировать сдвиги спектральных линий во внешнем электрическом поле, откуда получить значения поляризуемостей.

К облаку холодных атомов (на пересечении всех пучков) при помощи металлических пластин прикладывались различные электрические поля. В зависимости от величины поля смещался резонанс перехода 5P-5D в рубидии, что детектировалось при помощи пробного пучка. Оптическая накачка была необходима для изначального заселения нужных магнитных подуровней 5P уровня рубидия

Комментирует Степан Александрович:

«Значения поляризуемостей атомных уровней достаточно часто бывают необходимы экспериментаторам. Например, при работе с атомами в ионных ловушках. Понятно, что померить все поляризуемости невозможно, поэтому чаще всего их рассчитывают, исходя из теоретических моделей. И здесь, как Вы понимаете, очень важно, чтобы эта теоретическая модель была точной. Своими экспериментами мы очень сильно помогли нашим коллегам-теоретикам, которые на основании наших результатов могут подкорректировать свою модель.

Другой, не менее важной для нас, целью в этих исследованиях стала подготовка к дальнейшим экспериментам по переводу атомов рубидия в ридберговские состояния».

Переход в ридберговские состояния возможен двумя различными путями (см. рисунок 2), однако в любом случае в качестве промежуточной ступеньки задействуются 5D-уровни. И знание их значений, определение величины штарковских сдвигов здесь весьма важно.

Возбуждение ридберговских уровней в рубидии. Лазерно-охлажденные на переходе 5S-5P атомы перекачиваются на уровень 5D, после чего заселяются на выбранные ридберговские уровни при помощи лазерного излучения с длиной волны порядка 1.2 мкм. Даже незначительно варьируя длину волны излучения, можно заселять любой уровень от 23P до 60P

«Ридберговские состояния очень узкие, – поясняет Степан Александрович. – Чтобы на них попасть, надо очень хорошо знать их частоту. Я бы сказал, что нам необходима снайперская точность в "прицеливании". А для этого необходимо учитывать, какие сдвиги у нас имеются. Потому что иначе мы промахнемся и, скорее всего, вообще никуда не попадем или же, в лучшем случае, попадем не на тот уровень, который нам нужен. Поэтому-то и необходимо определить, какие у нас имеются сдвиги во внешних электрических полях или нерезонансном свете. Потому как наше воздействие лазером, осуществляемое в ходе экспериментов, однозначно будет вызывать штарковский сдвиг, в дополнение к уже существующему».

Дополнительным «подарком» стала разработанная методика оценки поляризуемости, более простая и удобная по сравнению с имеющимися при полном сохранении высокой точности результатов. В прикладных работах по метрологии исследователи постоянно сталкиваются с необходимостью оценки поляризуемости атомов, а просто реализуемая методика оценки позволяет решать эту задачу с минимальными усилиями.

Проводимые исследователями из ФИАНа работы весьма полезны как для дальнейших фундаментальных исследований, так и для прикладных применений в метрологии, астрофизике и других областях.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

Разработан новый метод газоанализа

2012-06-15T17:02:13+04:00

Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН разработали новый метод газоанализа, основанный на записи спектра поглощения частиц по измерению сдвига фазы излучения диодного лазера. Метод отличается высокой чувствительностью и позволяет регистрировать спектр поглощения с высоким разрешением, что особенно важно в работе со слабо поглощающими частицами.

Фазовый метод активно используется в изучении потерь электромагнитных колебаний и волн в различных объектах. Он состоит в измерении сдвига фазы модулированного по амплитуде излучения на выходе из объекта по сравнению с фазой излучения, падающего на объект. В оптике подобный способ используется с 1933 года для измерения времён жизни возбуждённых состояний частиц. В 1980 году с его помощью было определёно время жизни фотона в оптическом резонаторе, составленном из зеркал. Со временем такой тип методов применительно к измерению поглощения приобрёл название PS-CRDS (phase shift cavity ring-down spectroscopy, т.е. спектроскопия по фазовому сдвигу затухающего излучения, проходящего через резонатор), или CAPS (cavity attenuated phase shift – фазовый сдвиг при затухании излучения в резонаторе). Большую популярность в оптических исследованиях метод приобрел потому, что может использоваться на простых установках, но при этом демонстрирует высокую чувствительность измерений ~10-11 см-1. Основное применение CAPS находит в газоанализе, в том числе при изучении атмосферы и в медицинских исследованиях, как правило, в ситуациях, когда требуется распознать газ в небольшой концентрации. Новый метод, разработанный группой учёных из ФИАНа, стал продолжением работы, связанной с улучшением свойств газоанализатора, который они предложили в 2010 году (http://www.fian-inform.ru/?mode=mnews&id=568).

Рассказывает один из разработчиков, ведущий научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Сергей Цхай: «В целом рингдаун-спектроскопия основывается на измерении времени затухания излучения. Мы также обратились к его измерению, но регистрировали при этом не изменения в интенсивности света, а промодулировали его с определённой частотой и регистрировали сдвиг фазы модуляции света после прохождения им резонатора. Таким образом, мы уходим от измерения амплитуды, с которой в большей степени связано появление шумов».

В своей работе физики использовали полупроводниковые диодные лазеры, наиболее перспективные в высокочувствительной спектроскопии. Одно из главных преимуществ лазеров этого типа состоит в том, что частотная перестройка в них осуществляется с помощью инжекционного тока. Такое управление позволяет обойтись без внешнего модулятора и облегчает контроль параметров лазерного излучения.
Однако, при применении CAPS с диодным лазером возникает существенная проблема. Амплитудная модуляция интенсивности сопровождается частотной модуляцией, которая ограничивает чувствительность измерений и снижает разрешение регистрации спектра. Но исследователи нашли выход. Комментирует Сергей Цхай:

«Диодный лазер управляется током. Мы можем задать ток определённой формы, меняющийся периодически по амплитуде, и модулировать излучение лазера на относительно низкой, по сравнению с оптической частоте. С одной стороны, это упрощает подавление шумов, а с другой – у диодного лазера при изменении тока меняется и амплитуда, и длина волны излучения. Несмотря на это, нам удалось выделить именно спектр поглощения. По изменениям фазы модуляции мы определяем, как меняется частота излучения лазера, и устанавливаем оптический спектр».

Это было достигнуто с применением специальной формы импульса инжекционного тока с переменной глубиной модуляции. Такой прием не только сохраняет чувствительность фазового метода к поглощению на фиксированной длине волны, но и одновременно позволяет регистрировать спектр с высоким разрешением. Последнее весьма важно при работе с многокомпонентными следами, когда необходимо отнести поглощение к конкретному веществу с характеристическим спектром.
Важно также, что, в отличие от других высокочувствительных лазерных методов в этой сфере разработанный в ФИАНе способ позволяет использовать достаточно стандартную электронную и оптическую аппаратуру, перенеся центр тяжести на аппаратурно-программные процедуры. Пока процесс математической обработки данных довольно сложен, одной из главных задач в своей дальнейшей работе по рингдаун-спектроскопии, физики называют упрощение этой части исследований, и дальнейшее увеличение точности и чувствительности диодной спектроскопии. В частности, планируется оптимизация работы прибора для измерения содержания изотопов углерода 12C и 13C в углекислом газе. Такие газоанализаторы используются в геохимии – для регистрации испарения глубинных газов, а также в медицине, где по соотношению концентраций стабильных изотопов углерода в организме человека можно выявить ряд заболеваний желудочно-кишечного тракта.

АНИ «ФИАН-информ»

Предложена модель перемешивания оболочек лазерных термоядерных мишеней

2012-04-15T16:47:47+04:00

Эффективную модель, описывающую перемешивание веществ в процессе сжатия мишеней лазерного термоядерного синтеза, разработали ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Института математического моделирования РАН. Предложенная модель помогает ответить на важный для «термояда» вопрос о влиянии начальных условий на динамику процесса перемешивания.

В лазерном термоядерном синтезе мощные пучки лазера облучают мишень – шарик диаметром в несколько миллиметров, который состоит из дейтерий-тритиевого ядра и оболочки из других веществ. В результате сжатия и нагрева мишени в DT-смеси создаются условия, при которых происходят реакции слияния дейтерия и трития, образуются ядра гелия (альфа-частицы) и нейтроны, выделяется большое количество энергии, порядка 18 МэВ за одну реакцию, – происходит ядерный микровзрыв. При лазерном облучении и сжатии мишени, которое происходит в результате испарения и разлета оболочки, между ядром и оболочкой возникает неустойчивость, происходит взаимное проникновение легкого и тяжелого вещества. Появляющаяся неоднородность приводит к снижению температуры топлива и плотностей сжимаемых веществ, нарушая симметричность сжатия мишени, что в итоге снижает эффективность реакции.
Неустойчивости можно было бы избежать, сжимая мишень максимально симметрично, однако для этого понадобилось бы бесконечное число лазеров, что, естественно, невозможно. Хотя изучать эту задачу учёные начали ещё полвека назад, когда лазерный термоядерный синтез только возник (использовать лазеры для проведения ядерных реакций предложили в ФИАНе в 1961 году Н.Г. Басов и О.Н. Крохин), неустойчивости до сих пор остаются одной из ключевых проблем в этом направлении физики. Специалисты продолжают исследовать неустойчивости, пытаясь понять, отчего они возникают, как растёт зона перемешивания тяжёлого и лёгкого вещества, какие при этом возникают возмущения и как бороться с таким явлением. Модель, предложенная учеными из ФИАНа (под руководством главного научного сотрудника Сектора теории лазерной плазмы доктора физико-математических наук В.Б. Розанова) и Института математического моделирования РАН, стала ещё одним шагом в изучении этой проблемы. Главным итогом работы стал ответ на вопрос, как начальные возмущения, определяемые как симметрией и однородностью источника энергии, так и качеством изготовления самой капсулы, влияют на степень сжатия и нейтронный выход реакции.
Для построения модели учёные провели множество численных одномерных (1D) и двумерных (2D) расчётов развития неустойчивостей для «плоской» и сферической геометрии. Результаты этих расчётов содержат подробную информацию о состоянии веществ, размерах области перемешивания и других показателях. Затем на их основе, а также с учетом существующих теоретических моделей описания турбулентного слоя в процессе перемешивания двух разноплотных веществ была разработана теоретическая модель для описания ширины и скорости роста зоны турбулентного перемешивания для широкого диапазона начальных условий.
Тем временем, физики рассчитывают повысить эффективность термоядерных реакций за счёт новых сверхмощных лазеров. Рассказывает участник работы, младший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Рафаэль Яхин:

«Преимущества лазерного излучения для инициирования термоядерных реакций заключаются в относительной легкости его транспортировки к мишени и его фокусировки, возможности получать высокие плотности мощности, требуемые для эффективного сжатия мишени. В ведущих лабораториях мира существуют и проектируются несколько мощных лазерных установок для облучения мишеней. Крупнейшая из них на сегодняшний день National Ignition Facility (NIF) находится в Ливерморе, США. Она представляет собой систему из 192 лазеров на неодимовом стекле с суммарной энергией всех импульсов 1.8 МДж и длительностью несколько наносекунд, способных фокусироваться в пятно размером несколько миллиметров. По сообщениям из прессы в Сарове в ближайшие годы планируется создать близкую по своим параметрам к лазеру NIF установку».

Ещё одно явление, в котором имеет место развитие гидродинамических неустойчивостей, – взрыв и разлёт сверхновых звёзд. Рафаэль Яхин:

«В настоящий момент я занимаюсь исследованием эволюции сверхновых звезд при взрыве. На основе численных кодов проводятся 1D и 2D гидродинамические расчеты, моделирующие динамику процессов разлета остатков сверхновой с массой порядка 15 масс Солнца в течение нескольких сотен секунд после момента взрыва. С учетом критериев гидродинамического подобия рассматриваются возможные лазерные мишени-имитаторы сверхновых, которые позволят в лаборатории воспроизвести физические процессы, имеющие место при взрыве астрофизического объекта, такие как распространение ударной волны по веществу, развитие гидродинамических неустойчивостей на границах разноплотных оболочек, формирование остаточного облика на месте взрыва сверхновой и др.».

АНИ «ФИАН-информ»