Магнитно-резонансная томография - важнейший инструмент современной медицины. Она позволяет врачам диагностировать образование опухолей и определять границы новообразований, оценивать результаты лечения, изучать характеристики кровотока, получать изображения головного мозга. Именно поэтому в данный момент активно ведутся исследования, направленные на дальнейшее совершенствование этой методики. О новой работе российских ученых, посвященной изучению контрастирующих веществ на основе наночастиц оксида железа, «ФИАН-информ» рассказал заведующий криогенным отделом ФИАН, д.ф.-м.н., профессор Евгений Иванович Демихов.

    Метод магнитно-резонансной томографии основан на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Во всех тканях человеческого организма содержится вода, в состав которой входят атомы водорода. Ядро каждого атома имеет ненулевой спин, причем при отсутствии внешнего воздействия спины могут иметь случайное направление. Если же поместить атомы в постоянное магнитное поле, то большинство спинов повернутся в направлении поля. При этом спины будут иметь возможность перевернуться, поглощая электромагнитное излучение с определенной (резонансной) частотой. Наблюдая за поглощением, мы можем получать изображение внутренней структуры организма. Через некоторое время после переворота спина происходит релаксация – атомы возвращаются в начальное состояние. Релаксация может быть вызвана различными причинами, при этом в каждой из тканей организма она происходит по-разному, что и позволяет нам различать их границы на томограмме.

    Для повышения контрастности изображения были разработаны контрастирующие вещества, или контрасты. Помещенные в организм, такие вещества накапливаются в определенных областях (например, опухолях) и меняют время релаксации спинов, что позволяет увидеть необходимое место на томограмме более четко. На сегодняшний день наиболее распространенными являются контрасты на основе гадолиния: они повышают интенсивность сигнала за счет увеличения времени так называемой продольной релаксации, которая объясняется взаимодействием атомов с окружением. Очевидным минусом таких препаратов является токсичность гадолиния, который может вызывать различные аллергические реакции и даже привести к смерти пациента. Кроме того, гадолиний довольно быстро выводится из организма, что лишает врачей возможности проводить длительные исследования.

Структура (слева) и схема синтеза (справа) магнитной наночастицы

    Группа ученых из ФИАН, РНИМУ им. Пирогова и РХТУ им. Менделеева провела исследование наночастиц оксида железа, которые также являются контрастирующим веществом, но действуют по другому принципу: они снижают интенсивность ЯМР-сигнала, сокращая время поперечной релаксации, связанной с взаимодействием спинов между собой. Явным преимуществом в данном случае является биосовместимость и биоразлагаемость вещества. Кроме того, повышается время циркуляции контраста в крови.

Оценка эффективности в экспериментах in vivo: скан в МРТ 1,5 Тл для мозга крысы

    В ходе эксперимента ученые исследовали зависимость времени поперечной релаксации от концентрации при различных величинах магнитного поля, чтобы определить область применения данного препарата. Оказалось, препарат эффективен в широком диапазоне магнитных полей и действительно позволяет получить томограммы головного мозга с улучшенным контрастом. Кроме того, были исследованы наночастицы со специальной белковой оболочкой, которая не позволяет им «слипаться» при циркуляции в крови.

    На сегодняшний момент все еще не создан препарат, который мог бы стать успешным на коммерческом рынке, а потому необходимо дальнейшее изучение свойств и поведения наночастиц.

К.Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»

Физики из Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН создали и протестировали систему обнаружения малых концентраций веществ в газовых смесях. Работа нацелена на обеспечение безопасности термоядерного реактора ИТЭР, однако спектр возможных применений разработанного метода невероятно широк: от экологического контроля до диагностики заболеваний. Результаты исследования опубликованы в журнале Laser Physics Letters.

                ИТЭР – проект по созданию международного экспериментального термоядерного реактора, задачей которого станет демонстрация возможности коммерческого использования термоядерной энергии^[1]. Запуск реактора, сооружаемого во французском исследовательском центре Кадараш, намечен на 2025 год. Для отвода избытков тепла реактор необходимо оснастить водяной системой охлаждения, что приводит к дополнительным трудностям: если водяные пары проникнут в плазменную камеру через микротрещины, это может привести к катастрофическим последствиям. Чтобы контролировать концентрацию водяного пара в плазме, сотрудниками Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН был предложен и успешно протестирован метод мультиспектральной актинометрии плазмы.

Строительство термоядерного реактора ИТЭР
Источник изображения: scigeek.ru

    В ходе эксперимента ученые фиксировали интенсивность излучения, испускаемого двумя видами частиц: концентрация которых была известна (так называемых актинометров) и концентрация которых изучалась. Соотношение измеренных интенсивностей дало возможность сделать вывод о концентрации изучаемого вещества. В качестве актинометра учеными был выбран инертный газ ксенон, а концентрация воды определялась по излучению гидроксила OH, появляющегося при распаде молекул воды. Подобный подход позволил достигнуть рекордной чувствительности к натеканию водяных паров в реактор без существенного вмешательства в его конструкцию. Однако точность метода сначала вызывала некоторые сомнения, так как концентрация воды измерялась не напрямую, а рассчитывалась с использованием значений некоторых физических величин, не всегда известных точно в реальных условиях.

Результаты эксперимента по измерению концентраций различных веществ в плазме инертных газов.
Измеренные величины отмечены символами, а результаты моделирования – сплошными линиями.
Можно заметить, что экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами моделирования

    Чтобы проверить результаты оптической актинометрии, ученые ФИАНа определили концентрацию воды другим методом, позволяющим провести прямые измерения, пусть и с использованием более сложной установки. Таким методом стала лазерная спектроскопия: физики наблюдали за поглощением излучения лазера с длиной волны, соответствующей энергетическим переходам в молекулах воды. Чем больше была концентрация молекул, тем сильнее ослаблялся свет, проходящий через газовый разряд.

    Чтобы повысить чувствительность к малым концентрациям воды, было необходимо увеличить путь, проходимый лазерным излучением в исследуемой области. Это было реализовано благодаря оптическому резонатору, состоящему из двух зеркал с очень высоким коэффициентом отражения (99,99 %) – прежде чем покинуть резонатор, свет проходил путь длиной в несколько километров. По итогам эксперимента оказалось, что результаты актинометрии и спектроскопии совпали в пределах погрешностей.

Слева фотография экспериментальной установки «Течь»,
справа – установка для совместных лазерных и актинометрических измерений.
Фотографии предоставлены экспериментаторами

    Таким образом, ученые подтвердили, что актинометрия может быть успешно использована для контроля концентрации водяных паров в плазме. Возможным препятствием на пути метода пока что является использование ультрафиолетовой области спектра, в которой излучает исследуемый гидроксил OH. Дело в том, что при продолжительном воздействии ультрафиолета многие оптические элементы могут разрушаться. Решением проблемы может стать переход к измерению концентрации молекул водорода, однако в таком случае для начала придется связать концентрацию водорода и концентрацию водяного пара теоретически.

    В то же время примененная для проверки актинометрии лазерная спектроскопия с использованием резонаторов также имеет широкий спектр возможных применений. Одно из них – измерение концентраций вредных веществ в атмосфере для контроля экологической ситуации. Подобная технология может быть использована в медицине: анализ состава выдоха человека способен выявить около 20 различных заболеваний. Наконец, метод может применяться в геологии: исследования атмосферы дадут людям возможность предсказывать поведение вулканов.

К. Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»

____________________________

              ^[1]       ИТЭР – изначально англ. International Thermonuclear Experimental Reactor; в настоящее время название связывается с латинским словом iter – путь. Более подробно о проекте см. статью Международный экспериментальный термоядерный реактор.    Назад к тексту ↑

Предприятием-резидентом Троицкого технопарка ФИАН – ООО ИТЦ «Комплексные исследования» разработана технология очистки воды на основе процессов интенсивного окисления, на сегодняшний день уже имеющая опыт успешного внедрения на различных предприятиях. Уникальность технологии, в том числе, заключается в ее «всеядности», т.е. широком спектре применения – от бытовых до промышленных масштабов, и полном нивелировании вреда от токсичных загрязнений.

    Пожалуй, не найдется ни одного человека, который оспорил бы величайшую ценность такого природного ресурса как вода. Вода является средой обитания множества живых существ, определяет климат. Для человека она стала еще и важнейшим компонентом в промышленной деятельности: транспортная артерия, источник энергии, сырье, теплоноситель и т.д.

    Интенсивное использование воды в промышленных целях (зачастую с пренебрежением экологическими нормами) привело к проблеме загрязнения водных источников. Отдельные экологи заговорили о грядущем вымирании всего живого на планете: загрязнение воды пагубно влияет на развитие флоры и фауны, ведет к росту тяжелых заболеваний, в том числе онкологических, и ухудшению уровня жизни людей в целом. И хотя такие апокалиптические прогнозы сегодня вызывают определенный скепсис, ясно, что с загрязнением воды необходимо интенсивно бороться.

    Среди множества различных загрязнений особую тревогу вызывают т.н. стойкие органические загрязнения – ядовитые химические вещества, оказывающие негативное влияние на здоровье людей и окружающую среду. Распространяясь по воздуху и воде, они, к тому же, весьма устойчивы к распаду, что приводит к заражению территорий, достаточно удаленных от места их непосредственного производства. В результате происходит их постепенное накапливание в растениях и организмах животных, потребляемых в пищу, а также нарастание загрязнения всей планеты. Источником токсичных органических соединений является, прежде всего, промышленное производство. Список «злоумышленников» весьма широк: практически любое производство в качестве побочного продукта получает те или иные токсичные органические соединения.

             Существует множество различных методов борьбы с подобными загрязнениями, которые обладают определенной степенью эффективности. Но наиболее перспективными являются процессы интенсивного окисления (АОР)^[1], позволяющие производить деструкцию токсичных соединений до безопасных и биоразлагаемых.

    ООО ИТЦ «Комплексные исследования», которое является предприятием-резидентом Троицкого технопарка ФИАН, разработаны технологии, позволяющие производить очистку воды с использованием данной методики.

             Процессы, о которых мы говорим, хорошо известны, – рассказывает Евгений Юрьевич Щекотов, генеральный директор компании. – Вся технология связана с контролем процессов окисления в воде, реализованных в виде цепных реакций, которые в свое время исследовались академиком Семеновым Н.Н. и группой ученых. Собственно, академик Семенов за эти исследования получил Нобелевскую премию^[2]. Мы же просто довели эти технологии до прикладного применения.

    Принцип очистки воды, заложенный в предлагаемой технологии, основан на деструкции токсичных органических соединений и их производных в результате интенсивного окисления, активированного с помощью гидроксильных радикалов (ОН-радикалы).

Сравнение окислительного потенциала различных групп окислителей.
Иллюстрация предоставлена ООО ИТЦ «Комплексные исследования»

    Объясняет Сергей Викторович Изюмов, директор по развитию ИТЦ «Комплексные исследования»:

    Константы скоростей реакций гидроксильного радикала, – так называют соединение одного атома водорода с одним атомом кислорода (ОН-радикал), – с различными органическими соединениями в миллионы раз выше, чем, например, у озона! При столкновении с органической молекулой ОН-радикал, оторвав от нее атом водорода, превращается в воду, или разорвав двойную связь, присоединяется к молекуле. Органическая молекула в этом случае приобретает лишнюю валентность и легко окисляется кислородом, будучи до этого к нему нейтральной. Таким образом ОН-радикал активирует реакции окисления.

    Если процесс генерации ОН-радикалов поддерживать постоянно, то в результате будет иметь место длинная цепочка окислительных реакций, в результате которой образуются молекулы CO₂, воды и некоего, более «легкого», органического соединения. Принципиально возможно полное разложение примесей, когда в качестве конечных продуктов останется лишь вода, CO₂, некоторые соли и неорганические кислоты, которые образуются при наличии в органических соединениях азота, серы, хлора или других элементов.

    Но такой вариант не всегда оправдан экономически. Можно за счет частичного окисления перевести токсичное или трудноудалимое соединение в более легкую биоразлагаемую форму и на этом остановить процесс. А вот как узнать, достигнут ли желаемый результат, в какой момент остановить процесс окисления – это уже ноу-хау разработчиков.

    Предлагаемая методика принципиально отличается от наиболее распространенных сегодня методов очистки органических соединений, таких как фильтрация, окисление хлором и биологическая очистка. Во-первых, данные методы имеют выборочный спектр действия. Так, например, не все органические соединения можно отфильтровать, а некоторые из них не подлежат окислению хлором. Во-вторых, после них возникает новая проблема: куда девать полученный осадок, который также зачастую небезопасен для окружающей среды? В-третьих, проблемой являются невысокие скорости реакций и, следовательно, медленный процесс очистки.

    Главным преимуществом предлагаемой технологии является неселективный характер окисления, за счет чего появляется возможность перекрывания весьма широкого спектра токсичных соединений, а сама она приобретает характер универсальности: гидроксильным радикалам все равно, что окислять – органические соединения или же неорганические.

    Известна, например, международная база данных из более, чем 650 органических соединений, требующих нейтрализации. Так вот, бо́льшая часть этих веществ попадает в область наших возможностей, – продолжает Сергей Викторович. – Более того, хотя наша основная мишень – органические соединения, благодаря работе с окислителями мы можем попутно удалять и некоторые неорганические соединения (например, железо и марганец – основные «болевые» точки загрязненной воды), бороться с микробиологическими опасностями и т.д. Нашей технологии оказалось под силу даже улучшение органолептических свойств воды, таких как удаление постороннего запаха, вкуса и цветности.

    Такая универсальность технологии позволяет говорить о дальнейшем расширении спектра решаемых задач как относительно списка нейтрализуемых органических соединений, так и для удаления веществ техногенного происхождения.

    В основе технологии лежит применение различных принципов получения ОН-радикалов в воде. Один из них – использование уникального генератора озона и ОН-радикалов, запатентованного под названием XENOZONE, на базе эксимерных ксеноновых ламп, излучающих свет в ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 172 нм.

На рисунке: наверху – генератор XENOZONE;
внизу – схема очистки воды с помощью генератора XENOZONE.
Иллюстрация предоставлена ООО ИТЦ «Комплексные исследования»

    Использование вакуумного ультрафиолета эксимерных ксеноновых ламп генераторов XENOZONE направлено на одновременную реализацию двух процессов:

• получение гидроксильных ОН-радикалов и перекиси водорода H₂О₂ при облучении воды вакуумным ультрафиолетовым излучением;

• получение озона при облучении кислорода в воздухе.

Не менее важным является возможность встраивания предлагаемых систем в уже существующие системы очистки воды, что также позволяет повысить качество, скорость обработки загрязнений и расширить спектр нейтрализуемых веществ, а также обеспечить способность «подстраивания» системы под конкретные задачи заказчика.

    На сегодняшний день технология XENOZONE не просто научная разработка, а активно внедряемая на предприятиях система очистки. Среди предлагаемых объектов применения крупные предприятия, такие как АЭС, ТЭС, муниципальные водоканалы, предприятия микроэлектроники, а также небольшие организации – предприятия пищевой промышленности, бассейны.

Установка очистки конденсата и промывочной воды для Нововоронежской АЭС
(стоп-кадр видеосюжета «Системы очистки воды XENOZONE для промышленности и энергетики»)

         Рассказывает Евгений Юрьевич:

Одним из предприятий-заказчиков была Нововоронежская АЭС (НВ АЭС), где в 2015 году была запущена установка очистки конденсата от органических соединений. Как результат внедрения установки мы можем представить заключение миссии OSART МАГАТЭ^[3].

    Помимо данного опыта, за «плечами» компании программы по очистке воды на муниципальных водоканалах Троицка и Подольска, Верхнетагильской ГРЭС и многих других.

Установка по очистке воды на предприятии водоканала Троицка.
Иллюстрация предоставлена ООО ИТЦ «Комплексные исследования»

    Летом 2017 года был успешно завершен проект по созданию установки очистки сточных вод от токсичных органических соединений из промышленных стоков предприятий микроэлектроники, осуществленный по заказу японской компании «SANBIC». Таким образом, можно говорить, что данная технология получила международное признание.

    Самое важное, на мой взгляд, состоит в том, что все работы – от «железа» до автоматизации и наладки – мы полностью проводим своими силами, на площадке Троицкого технопарка ФИАН. Для реализации крупных проектов, подобных Нововоронежской АЭС или Верхнетагильской ГРЭС, конечно, необходимы определенные финансовые вложения, которые мы обеспечиваем самостоятельно, за счет реализации небольших коммерческих проектов. Такое самоинвестирование – наша принципиальная позиция. И в этом мы также видим залог своего успеха, – отметил в заключение Сергей Викторович.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

____________________

От редакции. Дополнительно предлагаем ознакомиться с видеосюжетом, рассказывающим об опыте применения разработки на муниципальном предприятии по очистке вод Троицка.

Примечания:

       ^[1] Международное название процессов активного окисления: AOP – Advanced Oxidation Processes. К тексту ↑

        ^[2] Семенов Николай Николаевич – советский физико-химик, один из основоположников химической физики. Единственный советский лауреат Нобелевской премии по химии. Получил премию в 1956 г. «За исследования в области механизма химических реакций» (совместно с С.Н. Хиншелвудом). К тексту ↑

        ^[3] OSART (англ. Operating Safety Analysis Review Team) – группа анализа эксплуатационной безопасности. Миссии OSART имеют целью повысить эксплуатационную безопасность АЭС за счёт обмена опытом эксплуатации, накопленным в мире. Такие миссии проходят на различных АЭС мира. На основании проведённой ими оценки разрабатывается отчёт, содержащий описание положительной практики эксплуатации (признаваемой таким образом на международном уровне), а также предложения и рекомендации. Источник: (https://ru.wikipedia.org/wiki/Международное_агентство_по_атомной_энергии)

    Сайт OSART Good Practices: http://www-ns.iaea.org/reviews/good-practices.asp?s=7&l=49.    К тексту ↑

В лаборатории оптоэлектронных процессоров ФИАН ведется работа по созданию новых материалов, которые могут найти широкое применение в производстве жидкокристаллических дисплеев с рекордно высокой частотой смены кадров. Это позволит не только улучшить качество изображения, но и создать новые, более совершенные 3D-дисплеи.

    Жидкие кристаллы (ЖК) – особое состояние вещества, обладающее свойствами как жидкости, так и твердого тела. Важнейшим свойством ЖК является их способность менять ориентацию молекул при приложении электрического поля, что и позволяет использовать их для изготовления пикселей в экранах мониторов. С помощью поляризаторов можно пропускать или задерживать прошедший через ЖК свет, и, таким образом, формировать изображение.

    Более 70% современных дисплеев созданы с использованием нематических ЖК. Главная проблема подобных материалов – они долго восстанавливают свое начальное состояние после выключения электрического импульса, поэтому не могут менять свое положение быстрее, чем 140-160 раз в секунду. Такой частоты кадров достаточно для отображения 2D- видео, которое будет комфортно восприниматься человеческим глазом, однако современные технологии цветопередачи и создания 3D-изображений требуют более высокой скорости работы. Не могут обеспечить достаточную частоту кадров и современные OLED-дисплеи.

    Группа ученых ФИАН под руководством Игоря Николаевича Компанца создала и исследовала материалы, принадлежащие к классу смектических ЖК с сегнетоэлектрическими свойствами. Такие кристаллы устроены более сложным, «слоистым» образом. В ходе исследований были найдены несколько интересных режимов их работы, каждый из которых сможет найти свое применение в реальных устройствах.

    «В режиме пропускания данные ЖК ведут себя подобно нематическим кристаллам, однако время реакции молекул на электрическое поле уменьшается в 20 раз: c 1 миллисекунды до 50 микросекунд! Кроме того, возвращать молекулы в исходное состояние можно электрическим импульсом обратного знака. Это позволяет отображать на экране несколько тысяч кадров в секунду, что делает доступной технологию последовательной во времени смены цветов. В современных мониторах цвет каждого пикселя на экране формируют три субпикселя с фильтрами различных цветов: красного, зеленого и синего. Увеличив частоту отображения кадров в 3 раза, можно подавать каждый из цветов на один и тот же пиксель последовательно. Человеческий глаз не различает изображения, сменяющиеся быстрее, чем 25 в секунду, поэтому наблюдатель увидит цветное изображение без разделения на субпиксели, т.е. потребуется втрое меньше отображающих элементов. Более того, цвета будут более яркими, так как отпадает потребность в светофильтрах» – рассказывает Игорь Николаевич.

    Еще более многообещающим представляется применение новых материалов для формирования 3D-изображений. Самым популярным способом отобразить объемную картинку является стереоскопия: изображения для правого и левого глаза подаются на экран попеременно. Существуют различные варианты реализации этой технологии - как с применением специальных очков, так и без них. Использование смектических ЖК увеличит число ракурсов, с которых можно будет просматривать 3D-фильмы (то есть число мест для зрителей), а также сделает возможным одновременный просмотр разных телеканалов на одном экране несколькими пользователями. Другой возможный подход к 3D-отображению – вольюметрические дисплеи, визуализирующие в объёмном экране типа «аквариума» наиболее реалистичный световой макет трехмерного объекта или сцены. Учеными ФИАНа был создан и успешно протестирован экспериментальный макет такого устройства. (см. здесь)

Схема 3D-дисплея с объемным ЖК-экраном

    Исследованные жидкие кристаллы могут не только пропускать свет, но также и интенсивно рассеивать его. Режим рассеяния может быть включен и выключен столь же быстро, как и режим пропускания – за десятки микросекунд, однако любое из двух состояний кристалла может сохраняться десятки секунд или до прихода следующего электрического импульса. Такие ЖК позволят существенно снизить энергопотребление приборов, в которых не требуется частая смена кадров (например, электронных книг).

    Создание дисплейных экранов на основе исследуемых материалов может быть легко освоено производителями, так как технологии создания приборов на основе нематических и смектических ЖК близки. Существует также возможность получения пока дорогих смектических жидких кристаллов из достаточно дешёвых нематических путем добавления специальных примесей. Новый принцип создания ЖК был предложен и экспериментально проверен совместными усилиями сотрудников ФИАН, ИКРАН, Курчатовского центра, а также Политехнического университета Турина (Италия).

К. Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»

___________________

От редакции. Изображение представлено И.Н. Компанцом

Основной тренд развития современного аналитического приборостроения – создание компактных измерительных систем настольного (table-top) и наладóнного (palm-top) типов. Для их практической реализации в системах рентгеновской аналитики и диагностики, которые играют важнейшую роль в медицине, промышленности и науке, необходимо создание компактных и ярких микрофокусных источников рентгеновского излучения.

Специалисты ФИАН совместно с партнерами из ООО «МЭЛЗ», ФГУП НПП «ИСТОК» и ТОО «Ангстрем» успешно решили эту проблему.

    Рассказывает зав лабораторией рентгеновских методов диагностики наноструктур ФИАН, доктор физ.-мат. наук Александр Георгиевич Турьянский.

    Нами разработан опытный экземпляр компактного микрофокусного рентгеновского генератора с размером фокуса порядка 10 микрон.  Собственно источником излучения является миниатюрная рентгеновская трубка диаметром 20 мм и длиной 75 мм. Разумеется, микрофокусные источники рентгеновского излучения – это не новинка. Они изготавливаются рядом ведущих компаний в США, Японии и Германии и широко применяются для инспекции промышленных изделий и в медико-биологической диагностике. Но они базируются на габаритных системах магнитной фокусировки. В корпусе нашей трубки установлена двухступенчатая система электростатической фокусировки электронов. Это позволило отказаться от систем магнитной фокусировки и резко сократить вес и размеры и энергопотребление. В частности, вес нашей трубки  всего около 20 г.

Общий вид микрофокусной рентгеновской трубки.
Размер рентгеновской трубки составляет ~3” (7,62 см)

    Другая принципиальная особенность нового источника заключается в том, что тонкопленочный металлический анод нанесен на оптически актированную прозрачную алмазную подложку, которая одновременно является выходным окном трубки. Рекордно высокая теплопроводность алмаза позволяет, во-первых, в несколько раз увеличить яркость рентгеновского фокуса. Во-вторых, при оптимальном выборе толщины тонкопленочного анода и ускоряющего напряжения падающими на анод электронами одновременно генерируется интенсивное рентгеновское излучение в металлической пленке и оптическое излучение в алмазной подложке. При этом положение и размер оптического и рентгеновского фокусов оказываются практически совмещены. Благодаря прозрачности алмазной подложки в рентгеновском и оптическом диапазонах рентгеновское излучение становится видимым!

Свечение ромбовидной пластины алмаза под действием высокоэнергетичных фотоэлектронов.
Эксперимент на синхротроне ESRF (точка ввода пучка показана стрелкой)

    Поскольку один и тот же пучок электронов  вызывает оба типа излучений – рентгеновское и оптическое, – то фактически мы видим рентгеновский фокус, – поясняет Александр Георгиевич. – Такая визуализация рентгеновского излучения решает проблемы с юстировкой рентгеновского оборудования и детальным измерением характеристик фокусного пятна. Но, пожалуй, наиболее важно, что визуализация рентгеновского излучения обеспечивает кардинальное улучшение безопасности эксплуатации  работы, поскольку источник используется настольных приборах.

Моноблок с рентгеновской трубкой и высоковольтным источником

    Перечисленные характеристики разработанного источника открывают новые возможности для широкого применения: в промышленности (контроль дефектов, локальный анализ состава и структуры), в медико-биологической диагностике и в научной аналитике. При использовании фокусирующих рентгеновских зеркал и поликапилляров потоки излучения могут быть увеличены в сотни раз. Источник запатентован в России, и в настоящее время совместно с ТОО «Ангстрем» патентуется в США и Европе.

Беседовала Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

__________________________________________

P.S. Все фото предоставлены А.Г. Турьянским

Учёные из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) обнаружили аномальные изменения в озонном слое над Москвой. Измерения на миллиметровых волнах показали большие изменения концентрации озона накануне внезапных сильных стратосферных потеплений.

    Стратосферный озон известен как главный защитник Земли от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Он играет и другую важную роль – участвует в формировании температурного режима стратосферы и её циркуляции. Озон во многом определяет процессы на границе между стратосферой и тропосферой, а значит, влияет на климат и погоду на Земле.

    Для изучения эволюции озонного слоя необходимо регистрировать изменения в содержании озона на разных отрезках времени (сезон, год и более длительные периоды) и выяснять, какие атмосферные процессы влияют на содержание и распределение озона. В этом помогает регулярный мониторинг газового состава атмосферы.

    Для решения этой задачи особенно эффективно наземное измерение спектров теплового излучения озона в миллиметровом (ММ) диапазоне. Наземное зондирование позволяет вести регистрацию круглосуточно, в широком диапазоне высот: от нижней стратосферы (12–20 км) до области мезопаузы (80–90 км), и почти в любую погоду, благодаря тому, что ММ-волны сравнительно мало рассеиваются и поглощаются в атмосфере.

    В Лаборатории спектроскопии миллиметровых волн ФИАН мониторинг вертикального распределения озона в стратосфере над Москвой проводится с 1996 г. Кроме основного радиоспектрометра, используемого для регулярных наблюдений, создан передвижной озонометр повышенной чувствительности и разработаны новые радиофизические методы изучения озонного слоя.

    Приборы измеряют спектральную линию теплового излучения озона с центральной частотой 142,2 ГГц (длина волны излучения 2,1 мм). Принимаемое излучение преобразуется по частоте, усиливается и поступает в анализаторы спектра, данные с которых записываются в компьютер. Зная особенности спектральной линии, учёные восстанавливают вертикальное распределение озона в атмосфере.

    Этот метод можно использовать для зондирования и других газов (окислов хлора, азота, углерода, азотной кислоты и др.), имеющих спектральные линии в ММ-диапазоне. Многие из них влияют на содержание озона, вступая с ним в химические реакции.

    Комментирует заведующий Лабораторией спектроскопии миллиметровых волн ФИАН, кандидат физ.-мат. наук Сергей Борисович Розанов:

    «В ММ-диапазоне волн до высот 70–75 км основной вклад в уширение спектральных линий вносят столкновения молекул. Это уширение пропорционально давлению, поэтому спектр содержит информацию о вертикальном распределении содержания излучающих молекул».

    Изучая в течение 20 лет высотно-временное распределение озона над Москвой, учёные ФИАН установили, что в течение месяца перед началом внезапного сильного стратосферного потепления наблюдается пониженное содержание озона. Пример такого явления представлен на рисунке 1, где показано распределение озона над Москвой в холодное полугодие 2012–2013 гг. В январе 2013 г. произошло сильное потепление, которому предшествовало пониженное содержание озона в декабре. Для зим без сильного стратосферного потепления такое длительное истощение озона (в течение 1-1,5 месяцев) не наблюдается (пример распределения озона над Москвой для зимы 2010-2011 гг. также представлен на рисунке 1).

Рисунок 1. Высотно-временнóе распределение содержания озона в стратосфере над Москвой зимой 2010–2011 и 2012–2013 гг. (содержание озона представлено цветом в единицах ppm (parts per million), 1 ppm соответствует одной молекуле озона на 1 млн молекул воздуха; сине-голубые тона соответствуют низкому содержанию озона, красно-жёлтые – высокому)
(рисунок предоставлен Лабораторией спектроскопии миллиметровых волн)

    В чём же причина такого различия в распределениях озона? Поясняет Сергей Борисович:

    «В январе 2013 г. внезапное стратосферное потепление привело к разрушению стратосферного полярного вихря. Температура стратосферы поднялась на несколько десятков градусов, а содержание озона увеличилось более чем на 2 ppm (около 40 % от среднего значения). Наблюдавшееся перед этим длительное понижение содержания озона над Москвой было вызвано тем, что вихрь был смещён к Европе и над Москвой находился арктический воздух с низким содержанием озона».

    Напротив, зимой 2010-2011 гг. полярный вихрь был устойчивым и мало смещался к Европе. К весне внутри него возникла «озонная дыра», по степени разрушения озонного слоя сравнимая с её знаменитым антарктическим аналогом. Периоды значительного снижения концентрации озона над Москвой весной 2011 г. были связаны с приближением к Европе этой арктической «озонной дыры» (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Озонная дыра над Северным полушарием весной 2011 г.:
слева – отклонение общего содержания озона от нормы в процентах 30 марта 2011 г. (данные Ozone maps), справа – озон над Москвой (30 марта и 7 апреля 2011 г. Москва находилась внутри полярного вихря, 24 марта – вне вихря; данные Лаборатории спектроскопии ММ волн ФИАН).

    Обобщив результаты, полученные за 20 лет регулярных наблюдений в ФИАН, учёные заключили, что большие изменения концентрации озона над Москвой зимой сильно связаны с динамикой и температурой стратосферы Северного полушария, а основную роль в изменчивости этих показателей играют сильные внезапные стратосферные потепления. Длительные понижения содержания озона на высотах около 30 км над Москвой в начале зимы могут рассматриваться как предвестники таких потеплений.

    В ближайших планах лаборатории – продолжить изучение содержания озона и подготовить эксперимент по зондированию окиси хлора над Москвой в условиях изменений состава, динамики и теплового режима атмосферы. Учёные рассчитывают, что это поможет при моделировании атмосферных процессов и прогнозировании изменений озонного слоя и климата.

О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»

Хотя озонный слой лежит на высоте десятков километров, его успешно изучают и с поверхности Земли. Такие измерения проводятся, в частности, почти в центре Москвы – в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН). О том, как исследовать атмосферный озон, находясь в комнатных условиях, рассказывает заведующий Лабораторией спектроскопии миллиметровых волн ФИАН Сергей Борисович Розанов.

    – Сергей Борисович, как проводятся сегодня озонные измерения?

    – В определённый момент люди осознали, что атмосферный озон защищает жизнь на Земле от биологически активного излучения Солнца и что сохранять его жизненно важно, а для этого нужно регулярно контролировать его содержание в атмосфере.

    Сейчас делать это можно двумя способами: напрямую (там, где находится прибор или датчик) или дистанционно, регистрируя излучение (самих молекул озона либо рассеянное/поглощённое озоном излучение внешнего источника) в разных диапазонах волн, от ультрафиолетового до миллиметрового.

    По рассеянию/поглощению озоном солнечного света в оптическом или УФ-диапазонах измеряют общее содержание этого газа в атмосфере. Тут основную роль играют наземные и спутниковые оптические спектрометры.

    Исследовать озон детальнее (в частности, содержание и изменение газа на разных высотах) помогает анализ его вертикального распределения, который проводят с помощью летательных аппаратов – самолётов, аэростатов, ракет, спутников – или с поверхности Земли. Мы проводим измерения вертикального распределения озона, регистрируя его излучение на миллиметровых волнах непосредственно в здании ФИАН на Ленинском проспекте.

    – А чем для озонометрии привлекательны миллиметровые волны?
    – Наземные измерения на этих волнах замечательны тем, что мы можем исследовать широкий диапазон высот – от нижней стратосферы (около 15 км) до верхней атмосферы, до области мезопаузы (80-90 км). Наблюдения можно проводить круглосуточно. А ещё ММ-волны рассеиваются и поглощаются в атмосфере намного меньше, чем оптическое излучение, поэтому измерения можно проводить почти при любых погодных условиях (в облачную погоду, снегопад и т.п.).

    – Как озонометрия развивалась в вашей лаборатории?

    – В середине 80-х годов под руководством проф. А.Е. Саломоновича и д.ф.-м.н. С.В. Соломонова была создана высокочувствительная спектральная аппаратура, и с 1987 г. сотрудниками Лаборатории спектроскопии ММ волн в содружестве с Лабораторией космической радиоспектроскопии АКЦ ФИАН (рук. проф. Р.Л. Сороченко) с помощью этой аппаратуры были начаты наблюдения озона в г. Пущино, в Радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН. Для наблюдений была выбрана спектральная линия озона с частотой 142,2 ГГц (длина волны 2,1 мм). начиная с 1996 г., исследования озона были продолжены в Москве, с помощью размещенного в ФИАН спектрометра-озонометра третьего поколения. Все эти работы были поддержаны директором Отделения оптики, член-корр. РАН И.И. Собельманом.

    – Как проводятся измерения?

    – Основной инструмент – разработанный в ФИАН спектрометр ММ-диапазона. С его помощью мы регистрируем тепловое излучение атмосферы на частотах выбранной спектральной линии озона и по форме спектра определяем вертикальное распределение озона в атмосфере. Необходимые при этом сведения о температуре и давлении атмосферы на разных высотах над Москвой мы получаем из Британского центра атмосферных данных.

    Измерения проводятся так. Мы открываем окно лаборатории, и излучение атмосферы, проходя через тонкую радиопрозрачную плёнку (она сохраняет в комнате постоянную температуру, важную для стабильной работы озонометра), попадает на антенну. В приёмнике излучение преобразуется по частоте, усиливается и поступает в анализаторы спектра, данные с которых обрабатываются в компьютере.

    Время измерения единичного спектра (обычно около 3 минут) и количество измеряемых спектров (обычно – 20) задаются оператором. Дальше спектры суммируются с учётом поглощения излучения озона в парах воды в тропосфере. Наконец, с помощью специальных математических методов рассчитывается вертикальное распределение озона.

    Сейчас мы также проводим испытания нового передвижного озонометра. В нём используются дополняющие друг друга акустооптический и фильтровой анализаторы спектра. С этим озонометром мы работаем не только днём, но и ночью. Ночные наблюдения особенно интересны, потому что на больших высотах содержание озона заметно увеличивается именно ночью. Так что несколько ночей мы уже провели за такими наблюдениями.

Передвижной озонометр ММ-диапазона (на фото слева).
Фото предоставлено С.Б. Розановым

    – Много лет обсуждается опасность разрушение озонного слоя. Занимаетесь ли вы этой проблемой?
    – Да, занимаемся. В наших работах мы  изучаем изменения содержания озона в стратосфере над Москвой за последние 20 лет. Так, мы обнаружили аномальные понижения уровня озона в стратосфере, в т.ч. в наиболее чувствительных к техногенным загрязнениям хлором верхних слоях стратосферы. Наиболее опасно для здоровья москвичей истощение озонного слоя в весенние месяцы. Одно из таких событий произошло весной 2011 года, когда была впервые обнаружена арктическая озонная дыра, сопоставимая по степени истощения озона с антарктической. При смещении этой аномалии к Европе содержание озона в стратосфере над Москвой значительно снизилось.   

    Более активно мы приступим к этой проблеме, когда доделаем ещё один прибор. Практически тем же методом, что и «озонный» спектрометр, он будет измерять содержание окиси хлора над Москвой. Мы хотим одновременно определять концентрацию озона и озоноразрушающей окиси хлора, чтобы лучше понять роль последней в том истощении озона, которое мы часто видим зимой^[1].

    – Связана ли Ваша работа с измерениями загрязнения воздуха, которые время от времени упоминаются в СМИ?

    – Мы контактировали с организациями, которые этим занимаются. Измерения проводит Мосэкомониторинг.  Однако они интересуются приземными слоями воздуха, в то время как мы делаем упор на изучение озона в стратосфере и стратосферной погоды.

    Вместе с тем, изменения и аномальные явления в озонном слое влияют на климат. Поэтому получаемые в ФИАН результаты мониторинга озона нужныдля развития климатических моделей, для прогнозирования изменений климата.

    – В каком состоянии сейчас находится озонный слой?

    – Прогнозы вроде бы благоприятные. Начиная с 1980 года содержание озона начало заметно убывать и к 2000-м годам уменьшилось примерно на 3,5 % (в Южном полушарии – из-за потерь озона в антарктических озоновых дырах – примерно на 5-6 %, в Северном полушарии поменьше, около 3 %). Многочисленные измерения, проводимые Всемирной метеорологической организацией, показывают, что в глобальном масштабе мы, видимо, уже прошли минимум. Разрушение озонного слоя замедлилось, и, похоже, наметилась тенденция к его восстановлению – правда, со скоростью на уровне 1 % за десятилетие (хотя есть разногласия по вопросам надёжности этих данных).

    – С чем Вы связываете наметившуюся положительную тенденцию?
    – Пожалуй, прежде всего, мы обязаны этим Венской конвенции по охране озонного слоя и Монреальскому протоколу, принятым в 1980-х годах. То, что человечество так организованно утвердило эти соглашения, сейчас даёт свои результаты. Вообще, защита озонного слоя оценивается многими как одно из самых успешных действий ООН за все годы её существования. Тот редкий случай, когда учёные, политики, промышленники объединились, ответственно подошли к проблеме и быстро приняли меры.

       Конечно, есть трудности, и есть страны, в которых производство пока «завязано» на некоторые озоноразрушающие вещества, но наиболее опасные вещества постепенно заменяются более безопасными. Всё это сейчас ещё делается с учётом того, не будут ли эти заменители усугублять парниковый эффект. Это другая большая проблема, и здесь тоже нужны согласованные действия^[2].

Беседовала О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-информ»

______________________________

[1]    Хлор и его производные относятся к главным разрушителям атмосферного озона, наряду с азотными и водородными соединениями. При этом циклы разрушения идут каталитически, то есть «по кругу». Один атом хлора, оказавшийся в стратосфере, может разрушить несколько сотен молекул озона, превращаясь в окись хлора, затем обратно в хлор. К тексту

[2]    По условиям принятого на недавнем климатическом саммите в Париже соглашения, человечество должно «как можно скорее достичь глобального пика выбросов парниковых газов» и впоследствии интенсивно их сокращать, чтобы во второй половине столетия прийти к балансу газов, выбрасываемых в атмосферу и поглощаемых естественным путём. К тексту

В Физическом институте им. П.Н. Лебедева прошёл семинар, на котором с докладом выступил руководитель исследовательской группы Агентства науки, технологий и исследований Сингапура доктор Л. Кривицкий. В докладе были изложены результаты исследования предела чувствительности палочек сетчатки африканской лягушки к возбуждению одиночными фотонами.

        Зрительный аппарат человека, оснащённый такими рецепторами как палочки и колбочки^[1], способен регистрировать слабые световые потоки до 100 фотонов, если предварительно подстроится под темноту. Проблема упирается в то, насколько отдельные палочки способны регистрировать единичные кванты света, ведь маловероятно, чтобы более чем один фотон попал на одну из 120 млн. палочек, выстилающих глазное дно.

    Статистически лишь около 10 % фотонов, испускаемых при световой вспышке, воздействуют на сетчатку глаза, остальные остаются непоглощёнными сетчаткой, частично рассеиваясь в массе глазного яблока.

    Проводившиеся ранее эксперименты показали, что палочки, облучённые световым импульсом небольшого количества фотонов, вызывали электрические сигналы дискретной амплитуды, что заставляет предположить, что наименьшие электрические сигналы могут быть вызваны поглощением единичных фотонов. Два фотона вызовут, предположительно, удвоенную амплитуду сигнала.

    Исследования механизма воздействия фотонов на сетчатку глаза лабораторных лягушек проводятся специалистами Агентства науки, технологий и исследований Сингапура. Исследовательская группа во главе с Леонидом Кривицким изучает чувствительность палочек сетчатки глаза одной из разновидностей африканских лягушек. Палочки, изъятые из глаза лягушки, подвергаются облучению единичными фотонами, последовательно испускаемыми источником.

    Ниже показано как фотоны, передаваемые по оптоволокну, попадают на палочку, удерживаемую в стеклянной пипетке, в которой закреплённые электроды регистрируют электрические сигналы, генерируемые палочкой.

    Схема эксперимента

    Предыдущие эксперименты выполнялись с использованием ламп накаливания и светодиодов, ослабленных под режим испускания импульсов с единичным фотоном. Распределение импульсов, несущих один, два и более фотонов, или ни одного, описывается распределением Пуассона^[2].

    Поскольку нельзя определить точное количество фотонов в импульсе, вызывающих реакцию образца, то вычисление эффективности детектирования единичного фотона представляет собой исследовательскую проблему.

    Для генерирования импульсов, содержащих собственно один фотон, группа Л. Кривицкого использовала метод, известный как параметрическое преобразование с понижением частоты. Для реализации метода использовался ультрафиолетовый лазер и кристалл бората бария, в котором один высокоэнергетический фотон преобразуется в пару низкоэнергетических фотонов видимого диапазона. Один из фотонов пары направляется к лавинному фотодиоду. Второй фотон отводится в световод, где по сигналу от лавинного фотодиода акустооптический модулятор направляет его к исследуемой палочке.

    «Особенностью этого эксперимента является то, что время работает против экспериментатора, – комментирует Л. Кривицкий. – После изъятия палочки из глаза лягушки есть только 2-3 часа, в течение которых палочка сохраняет жизнеспособность. А для того, чтобы исследуемый образец успел восстановиться, генерируемые импульсы должны следовать с частотой не более 10 в минуту. В этом смысле каждый фотон имеет значение для получения статистически точной картины процесса».

    Конец оптоволоконного канала играет важную роль, т.к. его закруглённая форма действует как линза, которая фокусирует световой пучок в пятно диаметром 4 мкм, что соответствует диаметру палочки сетчатки. Таким образом, достигается высокая эффективность взаимодействия палочки с фотонами.

    Результаты экспериментов с использованием 10 палочек, изъятых из 10 разных образцов, показали, что при попадании фотонов на палочку шанс получения электрического импульса – один из трёх. Полученные экспериментальные результаты оказались близки к значениям эффективности палочек человека, полученных ранее в поведенческих экспериментах. Предыдущие эксперименты, в которых использовались обычные световые импульсы для активизации палочек взятых из образцов глаз тростниковых жаб, показали эффективность детектирования фотонов 6 %.

    Эксперименты показали, что палочки сетчатки глаза лягушек функционируют с эффективностью, которую имеют коммерческие датчики, в том числе некоторые типы лавинных фотодиодов. Хотя в живых системах реакции палочек существенно более медленные.

    Доктор Николас Жизан – специалист по квантовой оптике Женевского университета – на вопрос, как получается, что зрительная система, даже при очень слабых световых сигналах реагирует почти мгновенно, ответил: «Насколько я представляю, на этот вопрос окончательного ответа пока нет. Но сам информационный процесс, который работает в этом механизме, – очень интересен».

В.Жебит, АНИ «ФИАН-информ»

______________________________

^[1]     Палочки и колбочки являются чувствительными рецепторами сетчатки глаза, преображающие световое раздражение в нервное, т.е. они преобразуют свет в электрические импульсы, которые по зрительному нерву поступают в мозг. Палочки ответственны за восприятие в условиях пониженного освещения (отвечают за ночное зрение), колбочки - за остроту зрения и цветовосприятие (дневное зрение) [http://proglaza.ru/stroenieglaza/palochki-kolbochki-setchatki-glaza.html]. К тексту

^[2]     Распределение Пуассона - дискретное распределение, описывающее схему редких событий: при некоторых предположениях о характере процесса появления случайных событий число событий, происшедших за фиксированный промежуток времени или в фиксированной области пространства. Примером может служить число частиц радиоактивного распада, зарегистрированных счетчиком в течении некоторого времени [http://www.statistica.ru/theory/raspredelenie-puassona/] К тексту

На научном семинаре специалистов в области практического применения лазеров в медицине в ФИАНе зав. лабораторией резонансных явлений ИОФ РАН Геннадий Петрович Кузьмин рассказал о новых разработках, предназначенных для лечения инфекционных заболеваний. Его выступление мы попросили прокомментировать ведущего научного сотрудника ФИАН Станислава Дмитриевича Захарова.

    Лечебные эффекты света известны давно. Большие надежды биофизиков на светолечение, в особенности на внутривенную лазерную терапию крови (ВЛОК), обусловлены тем, что световое воздействие не вызывает привыкания у пациентов и эффективно по отношению ко многим заболеваниям. Недавно прошедший в ФИАНе научный семинар собрал представителей научного сообщества из Института общей физики РАН (ИОФ РАН) и ФИАН, которые занимаются разработками лазерных медицинских установок. Геннадий Петрович и его сотрудники создали аппарат для ультрафиолетового облучения крови (УФОК) нового поколения. Он перенимает эстафету от знаменитой «Изольды», разработанной еще в 70-х годах на физфаке ЛГУ на базе ртутной лампы. Многим известно, как горячо поддерживал эту деятельность Александр Михайлович Прохоров, а теперь, судя по всему, преемственность обеспечивает Иван Александрович Щербаков.

    Рассказывает Геннадий Петрович Кузьмин:

    «Импульсом для исследований в ИОФ РАН стала проблема множественной лекарственной устойчивости инфекций, с одной стороны, и большое количество лекарств-фальсификатов, с другой. Сейчас мы рассчитываем направить область наших исследований в сторону не только лечения разнообразных бактериальных инфекций и воспалительных процессов, но и их диагностики».

    Учёные из ИОФ РАН обнаружили, что скорость гибели бактерий зависит не только от длины волны, но и от комбинации излучения различных видов. Сегодня они подготовили почву для мелкосерийного производства нескольких медицинских приборов с различными типами лазеров и излучением разной длины волны. Один из них – лазерная медицинская установка «Мария» с эксимерным лазером длиной волны 248 нм.

Лазерная медицинская установка «Мария» (слева) и её применение в процессе лечения (справа)

Оказалось, что эффективность лечения туберкулёза «Марией» выше медикаментозного. Результаты показательны: после облучения пациентов, страдающих наиболее тяжёлой формой туберкулёза лёгких – кавернозного – можно добиться закрытия каверн, полостей распада лёгочной ткани.

Результаты лечения кавернозного туберкулёза лазером (а) и лёгких медикаментами (б):
1 - без изменений; 2 - сокращение инфильтрации; 3 – сокращение размеров; 4 – закрытие каверн

     Преимуществом другого прибора, разработанного в ИОФ РАН, – многоволновой лазерной установки «Ливадия», – является возможность менять длину волны в диапазоне от 266 до 1064 нм, что оказывает влияние на скорость гибели бактерий. «Ливадия» создана на основе твердотельного лазера с диодной накачкой. Прибор сочетает ультрафиолетовое излучение с инфракрасным и зелёным излучением.

    Результаты клинических исследований «Ливадии» продемонстрировали улучшение сразу по нескольким показателям: после лечения уменьшается кашель, сокращается приток крови в сосудах слизистой (гиперемия), уменьшается частота инфильтрации стенки бронха, закрытия язвенных дефектов слизистой.

    По словам Геннадия Петровича, предлагаемая методика подойдёт для лечения туберкулёза лёгких, заболеваний бронхов, а также гнойно-воспалительных заболеваний мягких тканей, что будет востребовано в гинекологии, отоларингологии, терапии и, особенно, в гнойной хирургии.

    Последняя разработка ИОФ РАН, представленная на семинаре в ФИАН, основана на применении метода флюоресцентного анализа для экспресс-диагностики антибиотикочувствительности микрофлоры у больных с абдоминальной инфекцией (лабораторная система «Спектролюкс МБ»).

Зависимость показателя флюоресценции K_f = F/R от времени для различных видов антибиотиков

    Представленные исследователями результаты указывают на высокие перспективы применения данного метода на практике.

    Выступление Г.П. Кузьмина вызвало неподдельный интерес ученых ФИАНа, которые обратили внимание на возможную близость квантовых механизмов лечения ультрафиолетом и красным светом, давно используемым лазерной медициной, Излучение в желтой, красной или инфракрасной интервалах способно активировать в крови кислород, и при точной световой дозировке получается лечебное действие (светокислородная терапия) Однако в ФИАНе не удалось продвинуть свои исследования в ультрафиолетовую область из-за отсутствия в этом диапазоне лазеров, плавно перестраиваемых по длине волны.

    «В ультрафиолетовом участке спектра у кислорода имеется сильная полоса электронного поглощения, позволяющая перевести молекулы кислорода из основного, магнитного, состояния в активное немагнитное, называемое синглетным кислородом. Возможно, что результаты, которые получены в ИОФ РАН, частично обусловлены светокислородным эффектом» – комментирует результаты исследований ИОФ РАН ведущий научный сотрудник ФИАН Станислав Захаров.

И. Герасимова, АНИ «ФИАН-информ»

По прогнозам, уже в ближайшее десятилетие скорость передачи информации достигнет петабитных значений. Как оптоволоконная техника приближается к ним сегодня и какие задачи будет решать завтра? Об этом рассказал в ФИАНе директор Научного центра волоконной оптики РАН (НЦВО РАН), академик РАН Евгений Михайлович Дианов.

    Скорость передачи данных в коммерческих оптоволоконных системах связи уже превышает 10 Тбит/с, а в экспериментальных образцах доходит до 100 Тбит/с. Столь значительные достижения, впрочем, теряют свой блеск при темпе, с которым растёт информационный обмен. В развитых странах поток передаваемых данных сейчас увеличивается на 30–40 % в год. Если такой прирост сохранится, то через десять лет от «оптоволокна» потребуются скорости на уровне 10–100 Пбит/с.

       Улучшить передачу данных в волоконных световодах^[1] можно несколькими способами. Один из них – пространственное уплотнение каналов. Для его выполнения либо вводят несколько сердцевин в световод, либо для передачи информации используют несколько мод (возможных траекторий, по которым свет может распространяться в волокне). Надежды на эти методы омрачают некоторые трудности, уже обнаруженные в экспериментах. Так, с увеличением числа сердцевин, между близко расположенными «жилами» могут появляться перекрёстные помехи, которые иногда приводят и к разрушению всей структуры. В многомодовых световодах нарушения в передаче информации могут возникать из-за непредвиденного взаимодействия мод.

    Увеличить число каналов можно ещё одним способом – расширив спектральный диапазон передачи информации. Рассказывает Евгений Михайлович:

    «Если увеличить активную область с одной стороны от 1300 до 1500 нанометров и от 1600 до 1700 – с другой, мы "захватим" полосы, где у волоконных световодов очень низкие потери. Однако тут есть серьёзная трудность. Сегодня в оптоволоконных системах используются усилители на основе эрбия, и они работают только в узкой области (1530-1610). Если мы хотим расширить спектральную область, нужны, в первую очередь, усилители нового типа».

    Подходящим кандидатом на эту роль учёные видят устройства на основе висмута. В 2005 году специалисты НЦВО РАН создали первый висмутовый волоконный световод, лазер и усилитель с использованием этого металла. Выяснилось, что с добавлением висмута в световодах возникает очень интенсивная люминесценция в ближнем инфракрасном диапазоне, который включает в себя и диапазон, применимый для передачи информации.

    Показано, что висмутовые лазеры работают в диапазоне 1150–1775 нм. Кроме того, они опробованы для четырёх типов волоконных световодов. Особенно действенны лазеры оказались для световодов, легированных висмутом, с сердцевиной на основе кварцевого стекла с небольшим количеством германия: в этом случае их эффективность составила 60 %.

    Однако по своим показателям висмутовые лазеры и усилители пока значительно отстают от аналогов, в которых используются редкоземельные элементы (как правило, эрбий). Для того чтобы вывести «новичков» на уровень, сравнимый с показателями эрбиевой волоконной техники, учёным предстоит, в первую очередь, более глубоко понять саму природу излучения висмутовых центров.

Чип волоконного усилителя на основе эрбия
(изображение: Optics & Photonics News (OPN), osa-opn.org)

    Е.М. Дианов: «Висмут очень своеобразен. Во-первых, это многовалентный элемент. В некоторых кристаллах он может быть висмутом 5+, есть более распространенный и стабильный висмут 3+, висмут 2+, висмут 1+ и, конечно, атом. Висмут 3+, вводимый при изготовлении стёкол и световодов, не люминесцирует в ближней ИК-области спектра – только в видимом диапазоне. И многие ранние эксперименты показали, что люминесценция происходит от ионов висмута с более низким валентным состоянием: вводится висмут 3+, и при изготовлении, при высоких температурах, он превращается в висмут 2+, висмут 1+, атом и так далее».

    Процесс идёт с образованием кластеров и коллоидов висмута, имеющих дополнительные потери, и уменьшением реальных люминесценций, а из-за большой скорости такого превращения контролировать его крайне сложно. К тому же, люминесценция и генерация происходят при очень низких концентрациях вещества и многие методы распознавания при таких количествах не чувствительны. Предполагается, что дальнейшее изучение механизма люминесценции раскроет природу висмутовых активных центров в различных стёклах и поможет вывести новое поколение оптоволоконной техники на следующий виток развития.

О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»

_________________________________    

^[1] Световоды представляют собой тонкие нити из стекла, имеющие сложную структуру. В простейшем случае они состоят из сердцевины, оболочки и защитного покрытия, имеющих разные показатели преломления. В основе работы световодов лежат процессы отражения и преломления оптической волны на границе сердцевины и оболочки. Различия в показателях преломления достигают легированием стекла разными химическими элементами. К тексту