№ 4 (3994) от 29 января 2010:

• Физика конденсированных сред: о резервах и приоритетах
• Информация дирекции
• На пути к прямому наблюдению темной материи... в ОИЯИ
• Физический институт имени П.Н.Лебедева представляет
• Рождественская лыжня
• Граница двух континентов
• Шахматы
• НОВОСТИ

Версия № 4 в формате pdf (~5.6 Mb)

В научных центрах стран-участниц

Физический институт имени П.Н.Лебедева представляет

2010 - Год лазера

Вторая половина ушедшего XX века ознаменовалась яркими достижениями научно-технического прогресса: овладение ядерной энергией, освоение космоса, развитие радиолокационной техники, производство компьютеров... Среди этих достижений достойное место занимает создание лазеров и развитие лазерной техники. В наступившем 2010 году исполнится ровно полвека с момента создания первого в мире лазера.

В 1954 году в Физическом институте имени П.Н.Лебедева РАН (ФИАН) Александром Михайловичем Прохоровым и Николаем Геннадьевичем Басовым был создан первый в мире мазер, то есть первый квантовый генератор радиоволн. Создание мазера послужило толчком к поиску сред и способов накачки для реализации квантового генератора электромагнитного излучения в оптическом диапазоне - лазера. Физики как в Советском Союзе, так и за его пределами начали соперничать за первенство в создании лазера. Однако честь оказаться первым выпала американскому исследователю Теодору Мейману, именно он в августе 1960 года запустил первый в мире лазер на искусственном кристалле рубина (публикация вышла весной 1961 года).

Николай Геннадьевич Басов как лидер лазерной тематики в Советском Союзе вовлек многих своих коллег в работу по созданию первого лазера. Среди них были сотрудники лаборатории люминесценции ФИАН М.Д.Галанин, А.М.Леонтович и З.А.Чижикова. Михаил Дмитриевич Галанин с большим энтузиазмом откликнулся на предложение Н.Г.Басова и организовал работу по поиску генерации при накачке кристаллов рубина еще до выхода в свет публикации Теодора Меймана. Спустя всего пять месяцев после публикации Т.Меймана, а точнее 18 сентября 1961 года, в группе М.Д.Галанина заработал первый российский (в то время - советский) лазер на кристалле рубина. Все элементы самого лазера и узлы измерительной установки были отечественного производства.

С тех пор минуло 50 лет, за это время появилось большое количество новых лазеров - на разных рабочих средах, с разными функциями. Зондирование окружающей среды, оптическая связь, лазерная резка и сварка, обработка металлов, возбуждение термоядерных реакций, диагностика и лечение различных заболеваний, лазерные системы обнаружения и дальномеры - это далеко не полный перечень возможных применений лазерных технологий, не говоря уже о лазерных принтерах и компакт-дисках. Мазеры, хоть и не столь широко, но также используются в настоящее время, в частности, в космической связи и физических исследованиях.

За создание мазера и фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию лазеров, академикам Н.Г.Басову и А.М.Прохорову в 1964 году была вручена Нобелевская премия. По преданию, первый мазер был создан и запущен в лабораторной комнате N210 главного корпуса ФИАН. Именно тут могла бы висеть табличка: "В этой лаборатории был создан первый мазер". Это стало бы хорошей "затравкой" к череде юбилейных событий наступившего года - Года лазера.

Новые возможности ядерной эмульсии

Ядерная эмульсия давно и успешно используется в физических экспериментах в качестве трекового детектора элементарных частиц. В настоящее время начинается процесс внедрения разработанных фундаментальной физикой эмульсионных методик в другие сферы.

Новые возможности ядерной эмульсии открываются благодаря созданию современных автоматизированных комплексов, способных с высокой скоростью обрабатывать полученную информацию. В нашей стране пока успешно функционирует один комплекс полностью автоматизированной обработки данных трековых детекторов, находящийся в Физическом институте имени П.Н.Лебедева РАН. Благодаря созданию таких комплексов ядерно-эмульсионная методика активно развивается, занимая все новые области применения.

Эксперименты с применением ядерной эмульсии в некоторой степени можно сравнить с работами в палеонтологии, когда по частям скелета доисторических животных восстанавливается их облик, или же когда по некоторым частям растения производится восстановление всей его системы. Только в случае с ядерной эмульсией размах возможно расшифрованных загадок несколько иной. Она является идеальным материалом для прорисовки дополнительных черточек к существующей картине мира. Дело в том, что ядерная эмульсия является объемным детектором, так как элементарные частицы проходят сквозь нее в любых направлениях. При прохождении через эмульсию частицы сталкиваются, распадаются и иным образом взаимодействуют с ядрами фотоэмульсии: элементарные заряженные частицы ионизируют кристаллики бромида серебра вдоль своей траектории, которые при последующем проявлении превращаются в частички металлического серебра, видимые в обычный оптический микроскоп. Так формируются треки, анализируя которые, можно восстановить все события, происходившие в толще эмульсии.

"Раньше эмульсию обрабатывали вручную: человек, работавший на оптическом микроскопе с увеличением до 90x, находил глазами нужные точки начала и конца трека частицы и записывал данные с измерительных линеек. Но, например, только в одном слое эмульсии в одном ядро-ядерном взаимодействии, где может появиться несколько тысяч вторичных частиц, этих точек, соответственно, будет десятки тысяч. Поэтому процесс ручной обработки и анализа событий в эмульсии растягивался на месяцы, а то и на годы. С появлением автоматизированных комплексов стала возможной обработка за существенно меньшее время, - говорит один из авторов фиановского программного обеспечения для автоматизированной обработки данных трековых детекторов, кандидат физико-математических наук Андрей Александров. - Темой моей диссертации была реализация автоматизированной обработки данных ядерных эмульсий эксперимента EMU-15 по изучению сверхплотного состояния вещества при высоких энергиях - насколько нам известно, до сих пор остающегося единственным чисто российским экспериментом в ЦЕРН. Без создания в ФИАН Полностью АВтоматизированного Измерительного КОМплекса (ПАВИКОМ) в обозримом будущем это было бы невозможно". Руководит группой ПАВИКОМ доктор физико-математических наук Наталья Геннадьевна Полухина.

"Благодаря созданному А.Александровым программному комплексу обработка данных существенно ускорилась, - комментирует Н.Г.Полухина. - То, на что раньше уходили многие месяцы тяжелого и изнурительного труда группы микроскопистов, теперь можно сделать за считанные минуты. Так, например, на обработку лишь одного события эксперимента EMU-15 раньше требовался год, в то время как теперь на ПАВИКОМе - лишь 10-20 минут. Скорость сканирования данных эксперимента EMU-15 достигла 2 см2 в час. С такой скоростью программа в режиме online находит, распознает и записывает характеристики примерно двух тысяч треков на одном эмульсионном слое. А в начале 2010 года в строй вводится третья очередь комплекса ПАВИКОМ с увеличением скорости обработки данных примерно на порядок".

"Программное обеспечение комплекса имеет модульное строение. Каждый модуль отвечает за что-то конкретное - за видеокамеру, за определенный микроскоп, за обработку данных, за координацию блоков между собой, за общение с пользователем и т. п. Это очень удобно, так как дает возможность подстраивать его под определенные условия, например, под новое оборудование или под новую задачу. И для того, чтобы включить в программу обработки новый микроскоп, нужно будет написать всего один модуль", - рассказывает Андрей Александров.

Стоит обратить внимание на то, что, помимо решения чисто научных задач, ядерная эмульсия используется и в целом ряде прикладных работ. Например, в медицине - для моделирования процесса облучения онкологических больных протонными пучками; в вулканологии - для предсказания возможности извержения вулкана, что уже делают японские физики на склоне Везувия. Также с помощью ядерной эмульсии - весьма недорогого и простого в эксплуатации детектора, не требующего никакого энергетического обеспечения или технического обслуживания, - методом мюонной радиографии можно проводить неразрушающий контроль труднодоступных опор мостов и эстакад на наличие в них трещин или "просвечивать" доменные печи на наличие в них "проблемных" мест. Эти и другие задачи становятся полем применения методик, которые развивались в физике в течение нескольких десятков лет и сейчас приобрели особую значимость благодаря современным методам обработки информации.

Рефлектометр для диагностики наноструктур

Физики и инженеры-электронщики из Физического института имени П.Н.Лебедева РАН (ФИАН) и конструкторы из ООО "Институт рентгеновской оптики" (ИРО) совместно создали многоволновой рентгеновский рефлектометр для диагностики наноструктур.

Разработка оказалась удачной и оправдала себя, начинается изготовление второго коммерческого образца установки. Рентгеновская рефлектометрия применяется для бесконтактной неразрушающей диагностики слоистых тонкопленочных наноструктур. Этот метод позволяет определить толщину слоев пленок нанометровой толщины или шероховатость поверхностей, период многослойных наноструктур и диффузионное размытие внутренних границ раздела.

Разработка ФИАН совместно с ИРО - многоволновой рефлектометр "X-Ray MiniLab-N" (N - количество исходно возможных аналитических функций). По сравнению с существующими одноволновыми рефлектометрами многоволновой рефлектометр "X-Ray MiniLab-N" имеет более высокие метрологические характеристики, впервые позволяет проводить одновременные измерения на нескольких длинах волн и обеспечивает новые диагностические возможности анализа поверхности слоев. Под аналитическими функциями, по совокупности которых установка не имеет мировых аналогов, имеются в виду такие методики исследований, как рефлектометрия, дифрактометрия, рефрактометрия, малоугловое рассеяние, рентгено-флуоресцентный анализ и др. Из-за совмещения большого количества методик исследований в одной установке система и называется минилабораторией. При этом количество необходимых аналитических функций определяется конкретно под каждого заказчика в соответствии с его задачами и потребностями.

В начале 2000-х годов специалисты ФИАН доктора физико-математических наук Александр Турьянский (руководитель проекта), Александр Виноградов и кандидат технических наук Игорь Пиршин запатентовали разработанную ими измерительную схему двухволнового рефлектометра и создали экспериментальный макет установки (на котором, кстати говоря, работают до сих пор). Идея была коммерциализована с помощью сотрудников Института рентгеновской оптики. "Мы являемся активными экспериментаторами, поэтому и система проектировалась так, чтобы была возможность модернизации с целью постановки дополнительных экспериментов. Так что оператор, работающий на установке, может установить на прибор необходимые дополнительные устройства, наращивающие аналитические возможности", - комментирует Александр Турьянский. Это существенно отличает многоволновой рефлектометр "X-Ray MiniLab-N" от "принципиально подобных" зарубежных систем (не от аналогов, так как их нет), потому что зарубежные компании на сегодняшний день менять в своих установках ничего не разрешают. Пойти наперекор предписанным ими правилам - означает оказаться снятым не только с гарантийного обязательства, но и с технического обслуживания.

При коммерциализации многоволнового рефлектометра было решено пойти иным путем - определять окончательную конфигурацию системы вместе с заказчиком. Так, первым заказчиком, уже работающим на установке, стал Московский институт электронной техники (МИЭТ). Их установка, ставшая первым коммерческим образцом, имеет пять аналитических функций, и поэтому, согласно условленному правилу названия установки, называется "X-Ray MiniLab-5".

"Насколько мне известно, система работает безотказно и заказчик очень доволен. В настоящее время получен заказ от Южного федерального университета, для них мы начнем изготовление второго коммерческого образца. Там пока определяются с количеством необходимых аналитических функций, - рассказывает Турьянский. - Представляется, что разработанная минилаборатория будет востребована для диагностики наноструктур российского производства. Недавно мы проводили сравнительные испытания с одним из лучших образцов зарубежного представителя, который поставляет похожее оборудование. Cистема установлена в одном из ведущих московских институтов. Испытания проводились независимо, то есть никто из представителей обеих сторон не участвовал. В итоге, по рентгенооптическим измерениям тонких пленок наша минилаборатория имела лучше результаты, чем зарубежная, существенно более дорогая система".

Таким образом, на рынок выведена многофункциональная установка для исследования наноструктур, что можно считать еще одним шагом в развитии нанотехнологий и приборостроения.

По материалам ФИАН-информ.