Комнатный «адронный коллайдер»
Взаимодействие сверхинтенсивного лазерного импульсного излучения с веществом позволяет на базе этого явления создавать источники частиц. Типичная интенсивность пико- и фемтосекундных импульсов в современных лазерных системах составляет 1021 Вт/см2 . Это много или мало? Оптический пробой атмосферного воздуха происходит при интенсивности порядка 1011 Вт/см2, а при 1018 Вт/см2 электрон уже набирает энергию, сравнимую со своей массой покоя, и его движение становится релятивистским. При 1021 Вт/см2 в лазерной микроплазме мишени может уже наблюдаться широкий спектр различных термоядерных явлений. Такие концентрации энергии достигаются только в очень маленьких областях размерами в десятки микрон, поэтому мы и говорим о микроплазме.
В таких микроскопических областях из мишеней, облучаемых лазерным излучением, начинают возникать пучки ускоренных электронов и ионов. Эти высокоэнергетичные частицы могут взаимодействовать между собой и с атомами мишени с протеканием различных ядерных реакций. Для моделирования этих сложных, требующих дорогих экспериментов, процессов обычно применяют электродинамическое моделирование методом «частицы в ячейке» (PIC – методом в англоязычной литературе).
Из экспериментов известно, что при обычных условиях уже вовсю идут неупругие процессы – рождаются гаммы-кванты, наблюдается многократная ионизация, происходят различные ядерные и фотоядерные реакции. Там с атомов мишени электроны «сдираются» буквально вплоть до самых нижних оболочек. Всё это экспериментально исследуется, но согласованное моделирование этих процессов одновременно с классическим электродинамическим PIC-моделированием лазерной плазмы пока производилось достаточно мало и не совсем корректно.
В первых модельных расчетах учёные исследовали процесс генерации гамма-квантов тормозного излучения при облучении золотой мишени. Лазерный импульс, попадающий на мишень, выбивает из нее электроны, большинство которых начинает колебаться у ее поверхности. Приобретенной в процессе ускорения энергии им недостаточно для того чтобы покинуть мишень с образовавшимся нескомпенсированным положительным электрическим зарядом. Поэтому такие электроны снова и снова падают на мишень и, взаимодействуя с ионами золота, испускают гамма-кванты. После этого внимание учёных переключилось на изучение ядерных реакций между атомами дейтерия. В образовавшейся под воздействием лазерного излучения плазме они могут набирать энергию, достаточную для вступления в реакцию ядерного синтеза (DD-реакцию), которая протекает двумя способами – с образованием гелия-3 и нейтронов или же трития и протонов. Для практических приложений исследователей больше интересовал выход нейтронов в такой реакции, а потому они оценили его для мишени из дейтерированного полиэтилена.
По сравнению с источниками нейтронов на основе ядерных реакторов полученный нейтронный выход оказался небольшим, но зато его интенсивность (количество нейтронов в единицу времени) была сравнимой с источниками на основе ядерных реакторов за счет пикосекундной длительности нейтронного импульса. Исследователи нашли способ повысить интенсивность выхода нейтронов – вместо сплошных мишеней из дейтерированного полиэтилена использовались вспененные мишени с микронными размерами полостей. Последние работы группы ученых Института прикладной физики РАН посвящены моделированию еще одного аспекта взаимодействия интенсивного лазерного излучения с твердым телом – фотоядерного процесса расщепления дейтрона (на протон и нейтрон) при столкновении с энергичными гамма-квантами. Энергия таких квантов должна быть больше порога расщепления 2,23 МэВ, а сама процесс тоже может стать источником дорогостоящих нейтронов. Но и здесь учёным пришлось столкнуться с новыми нюансами.
Нейтроны это очень дорогое вещество. В одном обзоре автор пытался оценить стоимость их унции и вышло на порядки дороже золота. Получилось, что чистые нейтроны это самое дорогое вещество на Земле. В последних экспериментах с фотоядерным расщеплением возник вопрос: какими должны быть твердотельные мишени? С одной стороны, они должны содержать дейтерий, а с другой – эффективно генерировать гамма-кванты и значит иметь тяжелые ядра с большим зарядом. Как совместить эти два требования? Тут пришла идея использовать соединения, которые применяются в топливных элементах. Дейтерид палладия, например. Палладий очень хорошо растворяет водород и дейтерий, а в Черноголовке есть лаборатория, которая может на каждый атом палладия закачать чуть ли не по атому дейтерия. А создать концентрацию 1:0,6 – это вообще запросто. Тяжелое ядро и дейтерий в одном флаконе.
Использование мишеней из дейтерида палладия оказалось очень эффективным для фотоядерных реакций, поскольку в этой системе гамма-кванты пространственно рождаются около атомов дейтерия. При моделировании взаимодействия сверхинтенсивных лазерных импульсов с мишенями рассчитывались одновременно все три реакции, о которых шла речь выше – генерации гамма-квантов, d-d реакции и фоторасщепления. В результате, оказалось, что нейтроны, рожденные в разных реакциях, отличаются по своим свойствам. Фоторасщепление дает максвелловский спектр распределения нейтронов по энергиям, а длительность их импульса сравнима с фемтосекундными импульсами лазерного излучения.
Нейтроны же d-d реакций (их рождается примерно в сто раз больше) обладают фиксированной энергией, и длительность их импульсов составляет сотни фемтосекунд. При этом варьированием толщины мишени можно управлять длительностью нейтронных импульсов. Все эти результаты позволяют исследователям говорить о перспективах создания источников нейтронов с пиковой интенсивностью порядка 1019 с-1, характерной для самых мощных из существующих нейтронных источников, и с максимальной плотностью потока нейтронов 1024 с-1см-2. Это на восемь порядков превосходит максимальные плотности потоков существующих нейтронных источников.
Нейтроны очень важны во многих приложениях, например, для нейтронной спектроскопии.
Они очень легко проникают в клетку и сложные молекулярные комплексы. Там нейтроны рассеиваются, благодаря чему можно подробно восстановить вид структуры этой материи. А с импульсными нейтронными источниками появляются еще дополнительные возможности – если в клетке происходит какой-нибудь кратковременный процесс, то, чтобы его зафиксировать, нужен как раз короткоимпульсный источник. Это как фотография с короткой выдержкой. Но не стоит забывать и о других частицах, которые тоже можно получать при облучении вещества сверхинтенсивными импульсами. Например, хотят получить пучок моноэнергетичных протонов с энергией около 200 МэВ для лечения рака и использования в адронной терапии. Идут эксперименты по лазерному ускорению — формированию ионных и электронных пучков с энергиями до нескольких ГэВ.
Конечно, по сравнению с классическими ускорителями это давно пройденный этап, там речь идет о ТэВ-ах. Но зато андронный колайдер LHC – это 26 км, и самый дорогой и сложный эксперимент в мире. А лазерная установка, которая выдает 1021 Вт/см2, имеет размеры в пределах комнаты. И эти пучки еще обладают большой плотностью. Поэтому в качестве инжекторов для больших ускорителей они вполне подходят. В ближайшее время исследователи из Института общей физики РАН планируют проверить результаты моделирования на практике.
РадиоАстрон: новые открытия
В рамках научной программы исследований с использованием наземно-космического интерферометра РадиоАстрон был обнаружен коррелированный сигнал от космического водяного мазера в области формирования массивных звезд W3 IRS5, расположенной на расстоянии 1,83 килопарсек в спиральном рукаве Персея нашей Галактики.
Коррелированный сигнал был получен между космическим радиотелескопом Спектр-Р проекта РадиоАстрон, наземными телескопами: 40-м радиотелескопом в Йебесе (Испания) и 32-м радиотелескопом в Торуни (Польша). Проекция базы наземно-космического интерферометра составляла около 5,42 диаметра Земли, что обеспечило угловое разрешение до 40 микросекунд дуги. На расстоянии W3~IRS5 от Земли это соответствует линейному разрешению 0,074 астрономической единицы (11 миллионов километров или 8 диаметров Солнца). В этом эксперименте установлен рекорд значений углового разрешения, полученных при исследованиях такого рода.
Комментируя полученную информацию, зав. лабораторией Астрокосмического центра (АКЦ) ФИАН, к.ф-м.н. Алексей Алакоз сказал: «Такие исследования имеют очень важное значение для понимания механизмов образования мазерного феномена, который позволяет изучать свойства материи в экстремально сильном поле излучения, в среде с сильными отклонениями от равновесного состояния. Понимание механизмов накачки, а также условий в среде, при которых эти механизмы эффективно работают, имеет принципиальное значение для построения цельной картины процесса звездообразования».
Список объектов исследования пополнили известные квазары 3C273 и 3C279, первый из которых в 1963 году привел Мартина Шмидта к открытию квазаров, а открытие обоих квазаров несколько позднее позволило международной группе астрофизиков открыть кажущееся сверхсветовое движение сгустков плазмы в релятивистских струях. РадиоАстрон в режиме интерферометра на больших наземно-космических базах успешно зарегистрировал излучение этих квазаров. Наблюдения квазара 3C273 позволили РадиоАстрону превзойти абсолютный рекорд по угловому разрешению, принадлежавший ранее наземной системе, работавшей на длине волны 1,3 мм». Сигнал от квазара на длине 1,3 см зарегистрирован на базе интерферометра РадиоАстрон в 8,1 диаметров Земли или 7,6 гига длин волн, реализуя угловое разрешение в 27 микросекунд дуги.
На более длинных волнах — в 18 и 6 см интерферометру удалось зарегистрировать излучение многих компактных ядер в рамках продолжающегося обзора вплоть до 20 диаметров Земли. Детектирования на рекордных длинах баз получены, в основном, с наиболее чувствительными наземными телескопами: Эффельсберг (Германия) и Аресибо, GBT (США). При этом успешные детектирования сигнала на наземно-космических базах удается регулярно получать со всеми наземными телескопами, участвующими в обзоре с РадиоАстрон, включая Российские инструменты системы Квазар-КВО.
В начале февраля 2013 г. были успешно проведены первые наблюдения одной из близких активных галактик M87 в созвездии Девы. Для нее угловое разрешение РадиоАстрона сравнимо с ожидаемым размером тени центральной сверхмассивной черной дыры, согласно предсказаниям теории. В этом эксперименте впервые была использована модернизированная фазированная решетка VLA NRAO (США).
Точное земное время по космическим часам
Учеными из Пущинской радиоастрономической обсерватории (ПРАО) Физического института им. П.Н. Лебедева РАН предложен новый алгоритм построения групповой шкалы пульсарного времени, позволяющий повысить точность определения отклонений атомной шкалы времени относительно высокостабильной пульсарной шкалы. Предложенный метод позволит не только вносить поправки в ход земных эталонов времени, но и решить многие астрономические, навигационные и космологические задачи.
Пульсар – космический объект, излучающий периодические импульсы в различных диапазонах длин волн – от радио до рентгеновского и гамма-диапазона. Согласно современным представлениям, пульсар представляет собой нейтронную звезду с наклоненной относительно оси вращения осью магнитного поля, вращающуюся с огромной скоростью (от долей до сотен оборотов в секунду). Высокая стабильность периода испускаемых импульсов радиопульсарами позволила ученым ФИАНа еще в 1970-х годах предложить использовать их для построения новой пульсарной шкалы времени.
В настоящее время используется несколько видов временных шкал: атомное время (TAI), земное время (ТТ) и всемирное координированное время(UTC). Шкала TAI является опорной временной координатой, установленной на основе показаний атомных часов, расположенных по всему земному шару, и, в соответствии с определением атомной секунды, относительно нее выверяются все остальные временные шкалы. Шкала TT предназначена для астрономических исследований, а обычные люди живут по всемирному координированному времени UTC, сверяя часы и производя перевод стрелок на летнее/зимнее время относительно него. Однако, независимо от выбора временной шкалы, всегда стоял вопрос ее точности и стабильности.
Различные эпохи развития человечества и научного разума характеризовались всегда решением одной и той же проблемы – поиском наиболее точного эталона времени. На этом пути человечество прошло долгий путь — от солнечных и песочных до атомных часов, которые сегодня и являются наиболее точным и всемирно признанным эталоном времени. Открытие в 1967 г. радиопульсаров позволило взглянуть на проблему с новых позиций. В 1979 г. учеными ПРАО ФИАН была предложена пульсарная шкала времени, основанная на измерении интервалов между импульсами радиопульсара, приходящими на Землю. Для построения пульсарной шкалы момент детектирования сигнала (или момент прихода импульса – МПИ) определяется по земным часам. Зная время прихода импульса радиопульсара и сравнивая его с полученными показаниями по выверенным атомным часам, можно оценить стабильность имеющегося временного эталона. Сама пульсарная шкала представляет собой таблицу поправок к показаниям земных часов.
К числу основных достоинств предлагаемой шкалы следует отнести, что она – астрономическая, поэтому никоим образом не зависит ни от происходящих на Земле событий, ни от ее «поведения» (сезонные изменения скорости вращения, колебания оси вращения и т.п.). Другое достоинство – высокая стабильность шкалы на длительных интервалах времени, сравнимая и даже превосходящая стабильность земных атомных стандартов частоты на интервалах порядка нескольких лет. В настоящее время пульсарная шкала времени, предложенная сотрудниками ПРАО ФИАН, активно используется в фундаментальных и прикладных исследованиях.
Однако столь радужная перспектива – получение высокоточных, высокостабильных и практически «вечных» часов осложняется отдельными моментами, связанными с тем, что пульсарная шкала не является полностью независимой (не определена «пульсарная секунда»), а также сложным алгоритмом редукции МПИ от земного наблюдателя в центр масс Солнечной системы. Наблюдатель, который принимает с помощью радиотелескопа сигналы от пульсара, находится на Земле, вращающейся вокруг своей оси и обращающейся вокруг Солнца. В результате, МПИ радиопульсара будут зависеть как от географического положения наблюдателя, так и от времени года, времени суток, от собственного движения пульсара по небу, а также от параметров его орбиты, если пульсар находится в двойной системе.
Решением этой проблемы занялась группа ученых из ПРАО ФИАН. Алгоритм пульсарного хронометрирования (определение МПИ) подразумевает определение момента прихода импульса относительно опорной шкалы времени, скажем, шкалы UTC. Однако приходящий сигнал будет помимо «полезной» составляющей (вариаций опорной атомной шкалы, относительно которой ведутся наблюдения) нести в себе и «шум» – наложения дополнительных вариаций, связанных как с особенностями вращения самого пульсара, так и с ограниченной чувствительностью земной аппаратуры.
Чтобы разделить вклад земных часов и вариации вращения пульсаров, предлагается использовать одновременные сигналы от нескольких пульсаров — строить групповую пульсарную шкалу. Кроме того, восстановление сигнала происходит в условиях недостаточного объема и качества предварительной информации об изучаемом объекте, что также усложняет проблему точного определения сигнала. Дальнейшая обработка пульсарных данных производится с помощью математического аппарата винеровских фильтров, что и позволяет отделить «зерна от плевел». Этот классический математический аппарат хорошо зарекомендовал себя системах радиолокационного обнаружения целей.
Метод был применен к излучениям пульсаров PSR B1855+09 и B1937+21 и впервые позволил получить поправки к шкале Всемирного координированного времени UTC относительно групповой шкалы пульсарного времени. Последующее прямое сравнение наиболее стабильной шкалы земного времени TT, основанной на ходе первичных цезиевых стандартов частоты, и групповой шкалы пульсарного времени показало, что они расходятся не больше, чем на (0,40 ± 0,17) микросекунды.
Значение данных работ состоит, в первую очередь, в практическом построении независимой от земных условий системы счета времени, которая по стабильности на длительных интервалах времени (порядка нескольких лет) сравнима и даже превосходит стабильность атомных стандартов частоты. Работы продемонстрировали возможность независимого мониторинга вариаций хода земных стандартов частоты с точностью около 0,1 микросекунды. В случае возникновения глобальных земных катаклизмов групповая пульсарная шкала является, пожалуй, единственным средством, позволяющим восстановить ход земных шкал времени с субмикросекундной точностью.
Это направление астрономии, кроме России, стало также активно развиваться во многих странах. В США, Австралии и странах Европы приняты программы одновременного хронометрирования нескольких десятков пульсаров для построения групповой пульсарной шкалы времени и ее практического применения в космологии, астрофизике и фундаментальной метрологии. Именно с помощью групповой пульсарной шкалы времени исследователи из этих стран надеются получить прямое и достоверное доказательство существования гравитационных волн. Результаты подобных исследований могут быть применены и в других областях астрономии. Например, хронометрирование высокостабильных миллисекундных пульсаров позволяет построить независимую шкалу галактических расстояний. В области небесной механики долговременное хронометрирование пульсаров позволит уточнить массы планет Солнечной системы и, соответственно, улучшить точность планетных эфемерид.
Наблюдения одних и тех же пульсаров различными методами в разных системах небесных координат позволяют находить связь между этими системами с очень высокой точностью (на уровне 10-4 — 10-5 угловых секунд), что крайне важно для высокоточного определения местоположения далеких космических аппаратов. Очень интересным прикладным направлением использования групповой пульсарной шкалы в недалеком будущем станет навигационная задача. Сеть высокостабильных пульсаров будет использоваться в качестве космических маяков для навигации в масштабах Солнечной системы и даже за ее пределами. Космический аппарат по заложенным в него пульсарным эфемеридам и оснащенный соответствующими датчиками сможет автономно определять свое местоположение с точностью несколько сотен метров».
В ПРАО ФИАН ведутся исследования практически по всем вышеупомянутым направлениям. После переоснащения имеющихся радиотелескопов новой высокочувствительной аппаратурой и ввода в строй новых радиотелескопов ученые ожидают получения результатов на новом уровне точности.
Полупроводниковый пикосекундный лазер
Ученые из ФИАНа совместно с учеными из Кембриджа в рамках Европейского проекта получили пикосекундный импульс синего лазера, что открывает новые перспективы не только с точки зрения научных исследований, но и расширения области применения лазерной техники.
Лазер – это генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне, то есть источник света. Свет этого генератора отличается уникальными свойствами: монохроматичностью (все излучение находится в узком диапазоне длин волн) и узконаправленностью (излучение не рассеивается). Современная наука использует для создания лазеров газ, жидкость, химические реакции. Тем не менее, самым используемым является полупроводниковый лазер, основанный на особом механизме накачки. В этом году полупроводниковым лазерам исполняется 50 лет. За это время, пройдя стадию от научного открытия до повсеместного использования, они прочно укрепились в нашей жизни. Но даже после стольких лет исследований осталась малоизученная ниша фиолетовых лазеров, основой которых является нитрид галия (GaN) – наиболее перспективный материал в электронике. Трудность их исследования заключается в тяжелом технологическом изготовлении. Хорошие образцы стали появляться сравнительно недавно в Японии.
Задачей Европейского проекта, в котором принимают совместное участие ученые из ФИАН и Кембриджского университета, было исследование импульсных режимов лазеров в синем и фиолетовом диапазонах. Японские компании Sony, Sharp и другие преуспели в исследовании непрерывного излучения подобных лазеров. На основе их исследований уже созданы технические приборы, например DVD-приводы blu-ray. Импульсные же режимы генерации света в фиолетовом диапазоне с помощью полупроводников остаются областью малоизученной.
В качестве образцов для исследования применили лазеры, использующиеся в blu-ray приводах для компьютеров, модифицированные ионными пучками с помощью имеющегося в Кембриджском университете оборудования. Произведенная модификация в совокупности с введением в резонатор лазера управляемого поглощения, позволила сильно менять динамику лазера, переводить его из непрерывного режима в импульсный.
Полученные лазеры исследовались в ФИАНе на аппаратуре, позволяющей измерять импульсы с пикосекундной (10-12с) и фемтосекундной (10-15с) точностью. Для регистрации этих импульсов использовали сверхбыстродействующие электронно-оптические камеры. Эта техника, связанная с фотоэлектронной регистрацией, была разработана в ФИАНе.
Главная проблема проводимых исследований заключается в том, что нитрид галия который лежит в основе этих лазеров, тяжел технологически. В нем масса дефектов, он быстро деградирует на воздухе, т.е. исследуемые лазеры имеют короткий срок жизни, что ограничивает также и время их исследования.
«Мы смогли получить только пикосекундные импульсы, хотя и надеялись на фемтосекундные. Однако и эти результаты позволили превзойти параметры японцев из лаборатории Sony. Согласно их публикациям, при дополнительном использовании линз, объективов, дифракционных решеток, а также внешнего резонатора, они смогли генерировать импульсы в единицы пикосекунд. А у нас не используются никакие внешние компоненты, и при этом результат 1,4 пикосекунды», – комментирует сотрудник Васильев.
Проводимые исследования имеют большую ценность не только с научной точки зрения, но и для применений в области биологии и медицины. Например, микроскопические масштабы лазера позволят создавать компактные приборы, мобильные и удобные в использовании, а короткая длительность импульса – исследовать и воздействовать на клетки организма, не разрушая их.
Мощные источники магнитного поля
Проект по созданию Российского центра сильных магнитных полей с достижением магнитной индукции до 100 Тл предложен учеными Физического института им. П.Н. Лебедева РАН совместно со специалистами из Массачусетского института технологий. О его перспективах рассказал руководитель проекта с российской стороны Владимир Пудалов, доктор физико-математических наук, заведующий отделом высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАН.
Исследования в сильных магнитных полях издавна привлекают ученых всего мира возможностью глубже понять молекулярные и атомные свойства вещества. Магнитные поля действуют на элементарные магнитные моменты электронов и ядер, позволяя изучать их отклик в широком диапазоне частот. Хорошо известный пример – медицинские магнитно-резонансные томографы работают с полями в единицы Тесла. Чем сильнее магнитное поле, тем более ценную информацию можно получить из магнитных измерений.
Хорошо понимая это, Петр Капица еще в 20-е годы прошлого века, работая у Эрнеста Резерфорда в Кембридже, создавал рекордные по тем временам поля до 32 Тл, но длительностью всего лишь в сотую долю секунды. В 1930-х годах получением сверхсильных магнитных полей занимался американский физик Фрэнсис Биттер, который смог создать не импульсные, а стационарные поля до 10 Тл с помощью изобретенных им медных электромагнитов специальной конструкции, которые с тех пор называются «Биттеровскими». Лаборатория в Массачусетском институте технологий (MIT) в Бостоне, в которой он работал, стала впоследствии называться его именем и до сих пор является мировым центром, где разрабатываются сверхсильные магниты.
На сегодняшний день в мире существует только три специализированных центра, в которых получают сильные магнитные поля с магнитной индукцией около 40 Тл. Это лабораториии сверхсильных полей в Талахасси (США), в Гренобле (Франция) и Наймегене (Нидерланды). Соответствующие магнитные установки сопоставимы по масштабам с крупными заводскими корпусами, являются крайне дорогостоящими, энергоемкими, и функционируют как центры коллективного пользования, в которые могут приезжать исследователи из разных стран и проводить там свои эксперименты. В России сейчас максимальное стационарное поле, доступное для исследователей, составляет 21 Тл. Такой сверхпроводящий магнит функционирует в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.
Специалисты из России имеют возможность провести свои исследования в зарубежных центрах, однако существует ряд ограничений, сильно затрудняющих работу и, тем более, дальнейшее практическое использование результатов таких исследований именно в России. Поэтому наличие собственного центра сверхсильных магнитных полей – это не только решение проблемы проведения актуальных научных исследований на передовом уровне, но и вопрос престижа страны и демонстрации ее технологического уровня.
Недавно специалистами из MIT (США) совместно со специалистами из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН разработан проект создания серии источников магнитных полей на основе сверхпроводниковых материалов с индукцией до 100 Тл, что в 2,5 раза выше существующих рекордных полей. Реализация проекта рассчитана на 10 лет и предполагает строительство для 100 Тл магнита отдельного здания высотой 20 метров. Уже через несколько может быть создан первый, самый «маленький» из этих магнитов – в 40 Тл. Несмотря на свои миниатюрные размеры — около 60 см в диаметре, этот магнит сразу выведет Россию на один уровень с тремя подобными мировыми центрами и откроет широкие перспективы развития российских технологий. В России очень много талантливых ученых и гениальных теоретических разработок, которым нужна экспериментальная база.
Если посмотреть на список Нобелевских премий, то очень большое количество из них было получено благодаря тому, что ученые имели доступ к сильным магнитным полям. Даже если в названии Нобелевской премии в области физики не указаны «сильные магнитные поля» или «сверхпроводимость», то оказывается, что за этим в большинстве случаев стоят эксперименты, сделанные в сильных магнитных полях. Если у нас в России будет доступ к источнику сильных магнитных полей в 40 Тл, и, впоследствии, в 100 Тл – это откроет нам дверь в будущее».
Строящаяся у нас лаборатория высокотемпературной сверхпроводимости и сверхпроводниковых наноструктур, располагает всей необходимой технической базой для реализации данного уникального проекта. Лаборатория будет расположена в одном из корпусов ФИАН, в котором сейчас ведутся работы по его реконструкции. Вдохновитель создания лаборатории, выдающийся российский физик Виталий Лазаревич Гинзбург, всю жизнь посвятил исследованиям сверхпроводимости и мечтал о красивом и естественном применении сверхпроводников. К сожалению, революционная идея такого применения для создания источника сильных магнитных полей возникла уже после его ухода из жизни. Основой идеи стали разработки новых сверхпроводников, способных работать в сильных магнитных полях.
Для изготовления самого магнита потребуется большое количество специальной ленты из прочного и сверхпроводящего материала, производство которой уже сейчас возможно в России. Таким образом, весь проект может быть осуществлен целиком с помощью российских технологий и материалов. А параллельно проводимые в ФИАН исследования направлены на разработку новых, еще более совершенных сверхпроводниковых материалов, приближая осуществление мечты В.Л. Гинзбурга и упрощая создание сверхсильных магнитов.
Какие потрясающие открытия последуют из экспериментов в сильных магнитных полях в 100 Тл невозможно пока даже представить. Этот проект может стать ключевым событием в развитии современной физики и подарить России ультрасовременные технологии, которые выведут нас на принципиально новый экономический уровень в мире.
Волоконно-оптическая связь в петабитном диапазоне
Какие успехи и трудности предшествовали достижению в волоконно-оптической связи фантастической скорости передачи информации в 1 Петабит/с, рассказал директор Научного центра волоконной оптики РАН (НЦВО РАН), академик РАН Евгений Дианов.
Базовыми элементами современных систем телекоммуникаций являются волоконные световоды, общая длина которых в волоконно-оптических системах связи сегодня составляет один миллиард километров. К 2015 году эта величина должна удвоиться. Волоконные 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 действия световодов – использование процессов отражения и преломления оптической волны на границе сердцевины и оболочки. Различия показателей преломления достигают легированием стекла разными элементами.
Первые волоконные световоды появились в 1950-х годах, но из-за больших оптических потерь (1–10 дБ/м) их нельзя было использовать в протяжённых системах связи. В 1970-х годах был совершён прорыв в уменьшении оптических потерь. Чарльз Као выяснил, что потери возникают из-за высокого поглощениясветового сигнала примесями в кварцевом стекле, и предсказал получение волоконных световодов с оптическими потерями ниже 20 дБ/км.
Это открытие, позже принёсшее Као Нобелевскую премию, придало большой импульс работам по созданию «чистых» стёкол, и уже в 1970 году в США были изготовлены первые волоконные световоды с низкими оптическими потерями — менее 20 дБ/км. В том же году команда другого будущего Нобелевского лауреата, Ж. И. Алфёрова, в Ленинграде впервые получила непрерывную генерацию при комнатной температуре в полупроводниковых лазерах на основе гетероструктур. Она велась на длине волны 0,85 мкм, и именно в этом диапазоне работали первые коммерческие волоконно-оптические системы связи, созданные спустя 10 лет. Сейчас на этой длине работают только небольшие оптоволоконные сети, в магистральных световодах используется другая, «благоприятная» с точки зрения поглощения, длина волны1,55 мкм.
Следующим крупным достижением стало создание важного элемента оптоволоконных систем – эффективных усилителей сигнала. Они были изобретены на основе световодов, легированных ионами эрбия. Этот металл оказался единственным из редкоземельной группы, который позволил создать усилитель, работающий в спектральной области вблизи 1,55 мкм, точно совпавшей с областью минимальных потерь современных световодов. Замена использовавшихся ранее сравнительно медленных электронных ретрансляторов на эрбиевые усилители в конце 1990-х годов позволила довести скорость передачи информации до 40 Гбит/с и упростить схему линий связи. Так устранялись последние препятствия на пути создания высокоскоростных систем дальней связи.
Дальнейший прогресс в увеличении скорости передачи информации связан с явлением спектрального уплотнения каналов. Можно передавать информацию на одной частоте по одному световоду, а можно в него ввести сотню каналов на близких, но разных длинах волн, чтобы они друг с другом не взаимодействовали. Тогда скорость передачи информации возроастает соответственно числу каналов но, конечно, в пределах полосы усиления этого волоконного усилителя. Благодаря этой разработке скорость передачи информации по одному световоду в коммерческих системах к 2010 году достигла 10 Тбит/с и продолжает расти.
Хотя ёмкость оптоволоконных сетей развивается в головокружительном темпе, потребность в скоростной передаче информации остаётся огромной. Мировой поток передаваемых данных в развитых странах сейчас растёт на 30…40 % в год. Это значит, что если, например, через 20 лет такой прирост сохранится, то нужно будет научиться передавать информацию со скоростью порядка 100 Петабит/с. Современная волоконная техника не позволяет этого из-за ряда ограничений. В первую очередь, препятствует допустимая мощность излучения: превышение определённого порога приводит к сильным нелинейным эффектам, преобразованию частоты за счёт нелинейности, перекрёстным помехам, а иногда – к эффекту катастрофического разрушения волоконных световодов. Вторая причина — узость спектрального диапазона для передачи информации, который определяется полосой усиления, в которой работает эрбиевый усилитель.
Сегодня учёные разрабатывают несколько путей для перехода к более высоким скоростям передачи данных. Прежде всего, это расширение спектрального диапазона от 1,53–1,61 мкм в настоящее время до 1,4–1,7 мкм к 2015-му и 1,25–1,7 мкм к 2025 году, что позволит увеличить число каналов. Главная трудность – разработка подходящего усилителя. В 2001 году японские учёные нашли пригодный активный элемент для легирования кварцевого стекла – висмут, а спустя несколько лет учёные из НЦВО РАН создали волоконные световоды, лазеры и усилители на основе этого металла, показав их перспективность для расширения спектральной области передачи информации. Второй путь – это многоуровневая модуляция и различные методы мультиплексирования сигналов (объединение множества входных каналов связи в один канал связи большей емкости для передачи по единому физическому каналу, т.е. по одной физической среде) для увеличения скорости передачи в одном канале. Также можно использовать поляризационное уплотнение каналов.
Повысить скорость передачи информации позволит и пространственное уплотнение каналов. Во-первых, речь идёт о переходе от одномодового световода к маломодовому (различаются числом мод, т.е. возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне), позволяющем использовать каждую моду как носитель информации. Европейские учёные уже добились первых экспериментальных результатов в этом направлении, передав информацию по маломодовому световоду на 119 км. Во-вторых, такое уплотнение может осуществляться с помощью введения в световоды нескольких сердцевин. В 2012 году многосердцевинные световоды вместе с соответствующими усилителями были испробованы экспериментально: в рамках одного из проектов информация была передана на 6000 км со скоростью 35 Тбит/с.
Настоящим прорывом 2012 года стало создание первой системы со скоростью передачи 1 Петабит/с. Для создания экспериментальной линии были использованы сразу несколько методов: световод состоял из 12 сердцевин, в каждую из которых вводились 222 канала со скоростью передачи 456 Гбит/с. Хотя пока информацию удалось передать на небольшое расстояние (52 км) и без многосердцевинного усилителя, результат имеет грандиозное значение, так как доказана сама возможность преодоления рубежа в 1 Петабит/с.
«Это достижение важно не только технически, но и психологически. У меня нет сомнения, что в течение 10 лет будут созданы волоконно-оптические системы связи со скоростями передачи информации порядка 10–100 Петабит/с. Мир находится на пороге пета-эры» — сказал академик Евгений Дианов.
Высокочувствительные приемники терагерцового излучения
В марте 2013 года, в ФИАНе, состоялись очередные, XXXVII Вавиловские чтения. На них с докладом «Новый тип локальных электронных состояний в легированных сплавах на основе теллурида свинца: фундаментальные и прикладные аспекты» выступил профессор физического факультета МГУ Д. Р. Хохлов. Он рассказал о необычных свойствах легированных узкощелевых полупроводников на основе теллурида свинца и о том, как эти свойства могут быть использованы для построения чрезвычайно чувствительных фотоприемных систем терагерцового спектрального диапазона.
Терагерцовый диапазон электромагнитных волн является одним из наименее освоенных. Это связано, в основном, с тем, что в этой спектральной области плохо работают как радиофизические методы – со стороны более длинных волн, так и оптические – со стороны более коротких. В частности, чувствительность существующих приемников излучения терагерцового диапазона существенно ниже, чем приемников инфракрасного и радиодиапазонов.
Между тем, большое количество важных задач во многих сферах деятельности связано с исследованием излучения терагерцового диапазона. Это, например, биомедицинские приложения, космические исследования, и многие другие. Именно терагерцовой спектральной области соответствуют характерные частоты фононов в твердых телах, а также вращательно-колебательные моды тяжелых молекул. Поэтому характерные частоты излучения тяжелых молекул могут дистанционно регистрироваться при наличии высокочувствительных фотоприемных систем, работающих в этом спектральном диапазоне. В частности, большинство взрывчатых веществ состоит из тяжелых органических молекул со своими характерными спектрами поглощения и отражения, мониторинг которых позволит, вывести на новый уровень системы безопасности в аэропортах и в других общественных местах.
В большинстве современных спектроскопических систем терагерцового диапазона используется метод активной локации, когда исследуемый объект освещается мощным лазерным терагерцовым импульсом, и исследуется сигнал, отраженный от объекта или прошедший через него. Пассивные системы, которые исследовали бы излучение терагерцового диапазона, испущенное собственно объектом, практически отсутствуют.
Основная причина этого – малая чувствительность соответствующих приемников излучения. В то же время использование таких систем, безусловно, открыло бы принципиально новые возможности во многих областях, в частности, медицинских приложениях. Одной из важнейших областей возможного применения высокочувствительных приемников терагерцового излучения является терагерцовая астрономия. В рамках этого направления в 2018 году планируется запуск космической терагерцовой обсерватории «Миллиметрон». Проект осуществляется под руководством Астрокосмического центра ФИАН.
Существующие высокочувствительные приемники терагерцового излучения, построенные на основе сверхпроводящих технологий, имеют серьезные ограничения по своему использованию, основным из которых является чрезвычайно низкая рабочая температура, необходимая для обеспечения требуемых параметров фотоприемника – не более нескольких десятков милликельвинов. В докладе были показаны новые возможности, открывающиеся для этих целей при использования легированных узкощелевых полупроводников на основе теллурида свинца.
Часть доклада была посвящена последним результатам, полученным в этой области. В частности, было показано, что спектр фотопроводимости материала простирается далеко в терагерцовую спектральную область. Значительный фотоотклик наблюдался, по крайней мере, до длин волн около 500 мкм. Значение соответствующей энергии кванта излучения существенно ниже любых характерных энергий электронного спектра материала: ширины запрещенной зоны, энергии активации основного примесного состояния, и т.д. Было продемонстрировано, что задержанная терагерцовая фотопроводимость связана с формированием необычных локальных электронных состояний.
Если продолжать аналогию со сверхпроводниками, то было бы естественным предположить, что наличие таких локальных состояний может подавляться магнитным полем, либо протекающим током. В докладе было продемонстрировано, что появление локальных электронных состояний, ответственных за терагерцовую задержанную фотопроводимость, действительно подавляется электрическим током. В то же время ожидаемого подавления этих локальных состояний магнитным полем не зарегистрировано.
Использование эффекта задержанной терагерцовой фотопроводимости в реальных фотоприемных устройствах возможно только в случае, если имеется способ быстрого гашения задержанной фотопроводимости. В докладе было продемонстрировано, что приложение к образцу коротких длительностью около 100 нс радиочастотных импульсов может полностью погасить задержанную фотопроводимость. В таком случае появляется возможность построить терагерцовое фотоприемное устройство, работающее в режиме периодического накопления и последующего быстрого сброса фотосигнала.
Система, состоящая из одиночного фотоприемника и оптико-механического сканера, в настоящее время разрабатывается. Она позволит создавать пассивную терагерцовую «картинку» объекта, находящегося при температуре вблизи комнатной, за время порядка 40 с. Кадр будет содержать примерно 2·104 элементов. Длина волны, на которой будет формироваться изображение, может изменяться от 10 до 350 мкм в зависимости от выбора терагерцового фильтра.
Прецизионные панели для телескопов
Учёные Астрокосмического центра ФИАН сообщили о создании базовой технологии изготовления прецизионных панелей из углепластика для рефлектора телескопа «Миллиметрон».
Качество космических спутниковых систем напрямую зависит от точности технологического исполнения отражающей поверхности рефлекторов и от деформаций рабочих поверхностей рефлекторов, которые возникают при их хранении и эксплуатации. Для миллиметрового диапазона допускаемые отклонения составляют всего несколько микрон на характерном диаметре зеркала в несколько метров. Это определяет выбор материалов, конструкции и технологии изготовления рефлекторов. В качестве материалов могут рассматриваться только материалы с низким значением коэффициента теплового расширения, например, астроситалл, карбид кремния (телескоп Гершель), суперинвар, углепластики (телескоп Планк), органопластики и т.д. Для рефлекторов с активным адаптивным управлением может быть применен бериллий (проект JWST).
В качестве технологии в большинстве случаев используется высокоточная механообработка, включая автоматизированные методы доводки поверхностей. Данная технология очень трудоемка и дорогостояща и в России она может быть применена только к зеркалам из астроситалла. Астроситалл является хрупким материалом, он уступает углепластику по жесткости, массе, ударной прочности, к тому же Россия не владеет технологией получения облегченных зеркал, и в отношении нашей страны существует жесткое эмбарго на поставку астроситалловых зеркал (или заготовок) с облегчением более 50 %. Стоимость 1 м2 прецизионной поверхности из карбида кремния или бериллия составляет от 1 млн. долларов, а технологический цикл изготовления 1 м2 требует примерно года.
Следующей технологией является формование рабочей поверхности из углепластика на прецизионной матрице. Она обеспечивает минимальную трудоемкость и стоимость, но проблемой является коробление углепластика от внутренних напряжений, вызванных погрешностями траекторий армирования и различными коэффициентами теплового расширения углеродного волокна и полимерной матрицы. Кроме этого, углепластик подвержен паразитным релаксационным и влажностным деформациям, а также растрескиванию полимерной матрицы при захолаживании. Однако указанные проблемы принципиально решаемы, что доказывают проведенные нами исследования и успешная миссия криогенного телескопа Планк, главное зеркало которого изготовлено из углепластика.
Допускаемые отклонения для главного зеркала обсерватории «Миллиметрон» составляют 10 микрон при диаметре главного зеркала 10 метров, при этом главное зеркало состоит из отдельных прецизионных панелей, которые устанавливаются на подвижных опорах – актуаторах. Мы видим решение поставленной задачи в том, чтобы использовать сильные стороны астроситалла и углепластика и нивелировать их недостатки. Это достигается тем, что углепластиковые конструкции будут формоваться на прецизионных матрицах из астроситалла, при этом отклонение поверхности матрицы от теоретической поверхности должно составлять менее микрона, что вполне достижимо.
Суть инновации состоит в создании конструкции прецизионных панелей и технологии их изготовления из высокомодульного цианэфирного углепластика на матрицах из астроситалла, при этом технологическая погрешность изготовления поверхности составляет от 0 до 2 микрон, длительность изготовления одной панели — не более месяца, а стоимость 1 м2 — не более 200 тыс. долларов, при этом конструкция превосходит ситалловую по жесткости в 2 раза, а по массе легче в 1,7 раза. Углепластиковая панель легче панели из карбида кремния в 2 раза и в 40 раз выигрывает по температурной деформативности у бериллия.
Таким образом, дорогостоящая ситалловая матрица будет порождать сравнительно дешевые углепластиковые прецизионные поверхности, которые имеют ключевые конкурентные преимущества по стоимости, интегральной деформативности, массе, жесткости и трудоемкости изготовления как по сравнению с астроситаллом, так и по сравнению с карбидом кремния и бериллием. Эти преимущества должны обеспечить наилучшее соотношение цена/качество и успех на рынке суперточных космических антенн миллиметрового диапазона. Для отработки технологии создано экспериментальное производство и изготовлены экспериментальные образцы и технологические макеты прецизионных панелей.
В результате проведённой работы получены все необходимые данные для рабочего проектирования и организации штатного производства прецизионных панелей для рефлектора «Миллиметрон». Установлено, что среднее квадратичное отклонение поверхности экспериментальной плоской панели по отношению к поверхности формующей кварцевой матрицы не превышает 3 мкм.
По материалам ФИАН-Информ
