Томограф с безгелиевой системой охлаждения
Сегодня магнитно-резонансная томография совершенствуется технологически в нескольких направлениях. Одна из важных научных проблем – уменьшение использования жидкого гелия для охлаждения сверхпроводящего магнита в томографе. Жидкий гелий – это дорогой материал, его применение усложняет обслуживание аппарата. Для снижения объемов его использования разработаны охладители особого типа, так называемые криогенные рефрижераторы (криорефрижераторы). Они представляют собой модификации обычных холодильников, в которых фреон заменяется газообразным гелием. Если обычный холодильник может замораживать содержимое до минус 80 °С, то криорефрижераторы позволяют охладить свою «начинку» до температуры 4 К (около минус 269 °С). Такие «холодильники» подключаются к магниту – катушке из сверхпроводника – и промораживают всю конструкцию.
Успешная работа над такими системами ведётся в ФИАН и в созданной на его базе компании «МР-Томографикс». Здесь уже разработан томограф ортопедического типа, т.е. служащий для исследования состояния конечностей, в котором использование жидкого гелия сведено к минимуму: небольшого количества вещества хватает на несколько лет. Как утверждают создатели аппарата, он стал первым сверхпроводящим томографом в России и единственным в мире томографом для ортопедии и травматологии конечностей с разрешением 0,6 мм.
Компактный томограф помог отработать основные технологии, которые легли в основу работы уже над полноразмерным томографом, позволяющим исследовать человека во весь рост. Эта установка будет работать без использования жидкого гелия. Сейчас работа над установкой идёт полным ходом. К уже созданному макету томографа добавились отдельные компоненты прибора в форме опытных образцов. Среди них – градиентно-корректирующий модуль, комплекс управляющей электроники, радиочастотные катушки и другие элементы, необходимые для работы томографа.
Как отмечают разработчики, томограф будет изготовлен в соответствии с параметрами, привычными для врачей. Напряжение магнитного поля составит 1,5 Тл, диаметр туннеля для размещения пациента – 60 см, что в несколько раз больше, чем у ортопедического томографа. Новый томограф по масштабу сильно отличается от предыдущего. Масса катушки вместе с криостатом в нём составляет около трёх тонн, а диаметр катушки – около двух метров. Получается, размеры выросли в 3-4 раза. Это усложняет задачу в целом, и в первую очередь – расчёты магнитного поля. Сейчас стоит задача обеспечить прочность конструкции, работу программного обеспечения и оптимальное распределение магнитного поля в томографе.
Метод динамического светорассеяния в медицинской диагностике
В настоящее время для определения размеров частиц в моно- и многокомпонентных системах достаточно эффективно используются методы, в основе которых лежит явление динамического рассеяния света. Эти методы являются предпочтительными для исследования биологических образцов, поскольку являются неинвазивными и не нарушают структуру исследуемых частиц (например, белков или макромолекул). Примером применения методов светорассеяния в медицинской практике являются методики диагностики сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, разработанные учеными МГУ им. М.В. Ломоносова и Онкологического центра им. Н.Н. Блохина. В этих методах в качестве объекта исследования и диагностики используется сыворотка крови, разбавленная в 20 раз. Светорассеяние позволяет определить различные параметры сыворотки – размеры частиц, входящих в ее состав, второй вириальный коэффициент и проч.
Публикаций, посвящённых исследованию плазмы крови с помощью динамического рассеяния света, крайне мало. Причиной этому является то, что плазма крови представляет собой многокомпонентную систему, чье состояние меняется после изъятия ее из организма, что сильно усложняет исследование. Вероятно, поэтому в существующих публикациях представлены лишь отдельные примеры, в которых показаны распределения интенсивности рассеянного света по размерам частиц плазмы крови, полученной от различных доноров. Однако вопрос о том, как меняются эти распределения во времени для каждого образца плазмы крови, оставался открытым.
Плазма крови представляет собой сложную многокомпонентную систему, содержащую большое количество различных органических и неорганических соединений. В отличие от сыворотки крови, в которой процессы деградации белков и их агрегации, обеспечивающие свертывание крови уже прошли, в плазме крови эти процессы ингибированы благодаря действию антикоагулянтов (например, гепарина). Однако замедление этих процессов не гарантирует отсутствия их влияния на структуры и концентрации молекул белков и их комплексов в плазме крови.
В Лаборатории нелинейной оптики и рассеяния света ФИАН проведены испытания нового аналитического метода на основе динамического рассеяния света, при этом в качестве объекта исследования была взята неразбавленная плазма крови. Данная работа ставила своей целью исследование временной динамики размеров и концентраций частиц в плазме крови в течение двух суток после взятия крови у донора.
Исследование динамики распределений интенсивности рассеянного света по размерам частиц показало, что эти распределения в плазме крови многомодальны (то есть имеют несколько пиков – групп размеров) и меняются от измерения к измерению. С помощью разработанной новой методики удалось определить статистически достоверные размеры частиц, которые не меняются в образце плазмы крови на второй день измерений.
Исследование временного хода суммарной интенсивности рассеянного света, так же как исследование динамики размеров частиц, имеет научную и практическую ценность, поскольку отражает процессы, протекающие в исследуемом образце. Установлено, что средняя величина интенсивности для образцов плазмы крови всех исследованных доноров уменьшается на второй день наблюдений.
Такие изменения интенсивности могут быть обусловлены перераспределением концентраций частиц по регистрируемым группам, что было подтверждено оценками концентраций частиц в каждой из групп размеров на первый и второй день измерений. Так как указанное перераспределение частиц между регистрируемыми группами связано с протеканием процессов деградации и агрегации частиц, то подробное исследование этого эффекта открывает возможности для разработки методик диагностики заболеваний, связанных с нарушениями обмена веществ донора.
Разработан метод получения тонкопленочных структур сегнетоэлектрик/металл на основе сверхтонкого титаната бария. Результаты исследования их свойств показали, что подобные структуры представляются весьма перспективными для создания устройств энергонезависимой памяти. Растущие потребности в быстродействии, емкости, энергоэффективности энергонезависимой памяти в электронике диктуют поиск новых физических механизмов записи и хранения информации.
На сегодняшний день известно и широко используется множество технологий создания запоминающих устройств. Вместе с тем, фундаментальные исследования в области физики конденсированного состояния, тонкопленочного материаловедения и физики наноструктур в последние годы открыли физические эффекты, позволяющие предложить принципиально новые механизмы для реализации запоминающих наноустройств, и снять физические ограничения на их масштабирование, быстродействие и энергопотребление. Для реализации новых физических концепций записи и хранения информации важен синтез новых материалов, часто существующих в слоях толщиной в несколько нанометров, и детальное исследование их свойств, в том числе, в многослойных структурах.
При этом огромные возможности открывает использование сегнетоэлектриков. В частности, свойство сегнетоэлектриков сохранять остаточную электрическую поляризацию позволяет говорить о возможности применения их в качестве среды для хранения электронной информации. Однако реализация устройства памяти на основе сегнетоэлектрических материалов не так проста на практике. Одной из первых проблем, встающих на пути использования сегнетоэлектриков в качестве устройств памяти, являются величины коэрцитивных полей типичных сегнетоэлектриков, которые составляют несколько кВ/см. В то же время, современные кремниевые электронные компоненты оперируют при напряжениях, меньших 5 В. Следовательно, для использования сегнетоэлектриков в электронике и мобильных устройствах, необходимо получение таких материалов в виде сверхтонких пленок толщиной 1 -10 нм.
С развитием современных технологий напыления тонких пленок эта проблема была решена. Однако при таких толщинах сразу же в «дело» вступают размерные эффекты, влияние которых, как известно, приводит к существенному изменению характеристик материалов, исчезновению одних свойств и возникновению новых. И в данном случае эти новые свойства требуют тщательного изучения.
Другим препятствием на пути развития сегнетоэлектрической памяти является вопрос надежности. По сравнению с другими технологиями записи информации, такими как магнитные жесткие диски, надежность использования таких материалов при записи информации остается под сомнением вследствие эффекта усталости сегнетоэлектриков. Она возникает при многократном переключении поляризации и проявляется в деградации сегнетоэлектрических свойств материала. И эта проблема также требует своего разрешения.
Существует несколько подходов по реализации устройств памяти на основе сегнетоэлектрических материалов, некоторые из них уже внедрены в производство. И одним из наиболее перспективных подходов является использование т.н. сегнетоэлектрических туннельных переходов в структурах типа металл/сегнетоэлектрик/металл. Преимущества предложенного исследователями подхода к реализации устройств памяти на подобного рода структурах заключаются, прежде всего, в низком энергопотреблении таких устройств. Кроме того, в исследуемых структурах возможна реализация «многоступенчатого» состояния, т.е. не только двоичного, а нескольких устойчивых состояний. Скорость переключения устройств на основе тонкопленочных сегнетоэлектриков также ожидаемо выше существующих ныне. Хотя в лабораторных условиях уже был реализован принципиальный прототип устройства памяти на основе Cr/BaTiO3/Pt, необходимо провести еще ряд испытаний.
Так, например, дополнительных исследований требует оценка стабильности таких структур во времени и их стойкости к большим количествам переключений.
Спектрометрия солнечного излучения на орбите Меркурия
Современная солнечная физика уделяет особое внимание изучению мелких, еле заметных вспышек на Солнце, считается, что именно они составляют основную вспышечную активность звезды. Исследование происходящих в них физических процессов требует точных инструментов и активно ведётся, в частности, в диапазоне жёсткого рентгеновского излучения. Сейчас одна из таких установок разрабатывается в рамках международного проекта STIX (Spectrometer Telescope for Imaging X-rays – Телескоп-спектрометр для рентгеновской спектрографии).
Телескоп будет установлен на солнечном орбитальном спутнике Solar Orbiter, создание которого Европейское космическое агентство планирует завершить к 2017 году. Спутник приблизится к Солнцу на рекордно близкое расстояние и будет работать вблизи орбиты Меркурия. С помощью детальных измерений внутренней гелиосферы и солнечного ветра, а также наблюдений полярных областей звезды, учёные собираются узнать, как Солнце создаёт гелиосферу и управляет ей. Задача STIX – провести визуализационную спектроскопию солнечного излучения, то есть построить спектральную «картинку» ускоренных электронов вблизи Солнца. Телескоп должен помочь в сборе данных об интенсивности, спектре, времени рассеяния и распределении электронов. Кроме того, дистанционное исследование позволит определить размер, плотность, температуру и мощность петель, образующихся при вспышках.
Телескоп будет работать с угловым разрешением 6 арксек и временным разрешением 0,1 сек в диапазоне энергий от 4 до 150 кэВ. При столь высоких энергиях «обычные» зеркала, используемые в оптических телескопах, неприменимы, так как рентгеновские кванты практически не преломляются в веществе. Поэтому STIX построен в виде комплексной системы, синтезирующей изображения по принципу фурье-оптики.
Важным новшеством стали детекторы из сплава кадмия, теллурида и цинка. Если германиевые счётчики требуют охлаждения до 75 К (около минус 198 °С), то для кадмиево-теллуридных детекторов достаточно поддерживать температуру не выше 25 °С. Эта задача тоже непроста, учитывая «жаркие» условия, в которых будет работать STIX, но она не требует громоздкой системы криоохлаждения, утяжеляющей спутник.
Учёные уже «примеряют» телескоп и для будущих миссий. Модульный принцип построения STIX позволит уменьшить спектрометр до одиночного детектора, который можно применять как простой локатор солнечных вспышек. Кроме того, с подошью более массивной сетки и датчиков, специалисты думают расширить спектр навыков спектрометра вплоть до исследования высокоэнергетичных фотонов. Есть и идея о дублировании STIX и размещении второго инструмента в другой области Солнечной системы. Тогда установка сможет получать стереоскопические изображения и измерять объём изучаемых объектов.
Генерация лазерного излучения с заданными свойствами
Ученым из Самарского филиала (СФ) Физического института им. П.Н. Лебедева РАН удалось теоретически описать распространение структурно устойчивых когерентных световых пучков и их преобразование в линейных оптических системах. Результаты этих исследований открывают возможность создания лазеров, генерирующих пучки с заданными свойствами, что важно для развития лазерной оптики, медицины, технологии обработки металлов. О результатах исследований «ФИАН-информ» рассказала сотрудник лазерно-измерительной лаборатории СФ ФИАН Евгения Разуева:
Как известно, распространение светового поля, в частности, лазерного пучка, представляет собой волновое явление и описывается распределением интенсивности и фазы в поперечном сечении. При распространении световое поле претерпевает количественные и качественные изменения.
Несколько иначе обстоит дело с когерентным излучением. С открытием лазеров и развитием когерентной оптики появились экспериментальные и теоретические работы, доказывающие существование пучков когерентного света, сохраняющих структуру интенсивности в поперечном сечении при распространении и фокусировке с точностью до масштаба. Эти пучки называются модами когерентного излучения и являются собственными колебаниями лазерных резонаторов. Они имеют жестко заданную форму и описываются двумя семействами специальных функций с различными типами симметрии: моды Эрмита-Гаусса и моды Лагерра-Гаусса. Простейшим представителем обоих семейств является хорошо известный гауссов пучок.
Существование пучков Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса экспериментально было доказано еще в 1960-х годах. Долгое время считалось, что эти пучки являются двумя независимыми семействами, обладающими структурной устойчивостью и различающимися между собой симметрией. Однако позднее было теоретически доказано и показано экспериментально, что при задании определенных параметров оптической системы возможно преобразование одного типа пучка в другой. Более того, удалось определить новое семейство пучков – моды Эрмита-Лагерра-Гаусса, которое включает в себя все моды Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса и позволяет аналитически описать все возможные преобразования этих мод в линейных оптических системах. Было показано, что в любой линейной оптической системе пучок Эрмита-Лагерра-Гаусса преобразуется в пучок Эрмита-Лагерра-Гаусса с другими параметрами.
Таким образом, преобразование светового пучка полностью определяется преобразованием параметров пучка. Оказалось, что преобразование мод Эрмита-Лагерра-Гаусса в линейных оптических системах можно рассматривать как вращения в трехмерном пространстве.
Этот результат, потребовавший долгой и весьма кропотливой работы, имеет огромное значение для когерентной оптики. Имея описание преобразования одних пучков в другие, зная параметры входного излучения и желаемые параметры выходного, можно определить необходимые параметры оптической системы. В результате выполнения такой работы появилась возможность создания лазеров, которые без дополнительной нестандартной оптики смогут генерировать излучение с требуемыми характеристиками. Фактически, исследователям из СФ ФИАН удалось решить одну из множества задач по развитию методов управления характеристиками световых пучков, возникающих в лазерном резонаторе.
Оказывается, понятие структурной устойчивости световых полей можно расширить и рассмотреть вопрос существования таких лазерных пучков, которые сохраняют структуру интенсивности при распространении и фокусировке с точностью до масштаба и вращения. В СФ ФИАН был найден целый класс лазерных пучков, названных спиральными, которые сохраняют свою структуру при распространении и фокусировке и могут иметь различные параметры вращения. Упомянутые выше пучки Эрмита-Гаусса, Лагерра-Гаусса и Эрмита-Лагерра-Гаусса являются частными случаями таких спиральных пучков (отсутствие вращения – это нулевое вращение).
Семейство спиральных пучков оказалось достаточно широким. В частности, можно построить спиральные пучки, распределение интенсивности которых имеет форму произвольной плоской кривой или их совокупности. В отличие от световых полей с заданным распределением интенсивности, формируемых известными ранее методами, эти спиральные пучки сохраняют свою структуру в любой плоскости наблюдения и фокусировки. Таким образом, данное свойство спиральных пучков позволяет весьма гибко менять их форму при сохранении структурной устойчивости. Это может представлять интерес для лазерной медицины и технологии.
Спиральные пучки являются вихревыми полями. Исследования вихревых световых полей, получивших свое развитие в совершенно новом для лазерной физики направлении «сингулярной оптики», являются одним из последних и бурно развивающихся направлений исследований. Характерной особенностью вихревых полей является наличие особых точек волнового фронта – дислокаций или оптических вихрей, в которых значение амплитуды равно 0, а фаза неопределенна. В природе возникновение вихревых световых полей во многом обусловлено неоднородностями среды, в которой происходит распространение светового пучка. Однако у физиков наибольший интерес вызывает случай генерирования световых вихрей с заданными параметрами в лазерных резонаторах.
Спиральные пучки обладают существенно ненулевым угловым моментом количества движения. Это проявляется в том, что микроскопические объекты размерами в десятки микрон (например, живые клетки), помещенные в область фокусировки такого пучка, могут приводиться во вращение вокруг своего центра инерции, удерживаться в заданной области пространства, подвергаться неоднородным заданным деформациям и т.п.
На основе теории спиральных пучков могут быть построены фазовые элементы для фокусировки лазерного излучения с высокой эффективностью (разработан численный алгоритм). Сформированные таким образом поля также являются вихревыми и обладают угловым моментом. Эти свойства создают возможность создания в области фокусировки заданных микрораспределений интенсивности и углового момента, что представляет удобный инструмент для бесконтактного манипулирования микрообъектами в электронике и микробиологии.
Экспериментальная реализация спиральных пучков может осуществляться различными методами. Во-первых, непосредственно с помощью амплитудно-фазовых масок. Другой метод синтеза таких пучков основан на обобщении преобразования пучков Лагерра-Гаусса в пучки Эрмита-Гаусса и сводится к синтезу одномерного по структуре поля («штрих-код»), которое преобразуется в оптической системе, состоящей из набора цилиндрических линз.
Исследования спиральных пучков показали, что они являются собственными колебаниями специфических резонаторов с вращением поля. Был реализован аргоновый лазер с таким резонатором. Это показывает принципиальную возможность создания лазеров, непосредственным результатом генерации которых без дополнительной нестандартной оптики будут пучки с заданными свойствами.
Результаты, полученные самарскими физиками, имеют большое значение для развития сингулярной оптики. В настоящее время вихревые световые поля широко используются в лазерных технологиях обработки материалов, благодаря обеспечению более равномерного распределения температуры. А возможность сохранения структуры в любой плоскости распространения и фокусировки, а также ненулевой угловой момент количества движения позволяют предложить эти поля как весьма перспективный инструмент бесконтактного манипулирования микрообъектами, например, в микробиологии или электронике.
Следует отметить, что теоретические и экспериментальные работы в области физики когерентных световых полей, в т.ч. вихревых, дали толчок к развитию новых исследований полей совершенно иной физической природы: акустических, радиоволн и другх. Работы ученых из Самарского филиала ФИАН играют в этих исследованиях одну из ключевых ролей. Можно сказать, что российские физики создали новую технологию «конструирования» лазерного излучения, способную придавать ему весьма причудливые формы.
По материалам «ФИАН-информ»
