В наступающем 2010 году исполнится ровно полвека с момента создания первого в мире лазера
Вторая половина XX-го века ознаменовалась яркими достижениями научно-технического прогресса: овладение ядерной энергией, освоение космоса, развитие радиолокационной техники, производство компьютеров... Среди этих достижений достойное место занимает создание лазеров и развитие лазерной техники. В 1954 году в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Александр Прохоров и Николай Басов создали первый в мире мазер, то есть первый квантовый генератор радиоволн. Создание мазера послужило толчком к разработке квантового генератора электромагнитного излучения в оптическом диапазоне – лазера. Физики, как в Советском Союзе, так и за его пределами начали соперничать за первенство в создании лазера. Однако честь оказаться первым выпала американскому исследователю Теодору Мейману, именно он в августе 1960 года запустил первый в мире лазер на искусственном кристалле рубина (публикация вышла весной 1961 года).
Академик Николай Басов, лидер лазерной тематики в Советском Союзе, вовлек многих своих коллег в работу по созданию первого лазера, среди них – сотрудники лаборатории люминесценции ФИАН М.Д. Галанин, А.М. Леонтович и З.А. Чижикова. Михаил Галанин с большим энтузиазмом откликнулся на предложение Н.Г. Басова и организовал работу по поиску генерации при накачке кристаллов рубина еще до выхода в свет публикации Теодора Меймана. Спустя всего пять месяцев после публикации Т. Меймана, а точнее 18 сентября 1961 года, в группе М.Д. Галанина заработал первый советский лазер на кристалле рубина.
С тех пор минуло 50 лет, за это время появилось большое количество новых лазеров. Зондирование окружающей среды, оптическая связь, лазерная резка и сварка, обработка металлов, возбуждение термоядерных реакций, диагностика и лечение различных заболеваний, лазерные системы обнаружения и дальномеры – это далеко не полный перечень возможных применений лазерных технологий, не говоря уже о лазерных принтерах и компакт-дисках.
Мазеры, хоть и не столь широко, но также используются в настоящее время, в частности, в космической связи и физических исследованиях. За создание мазера и фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию лазеров, академикам Н.Г. Басову и А.М. Прохорову в 1964 году была вручена Нобелевская премия.
***
Новые возможности ядерной эмульсии
Ядерная эмульсия давно и успешно используется в физических экспериментах в качестве трекового детектора элементарных частиц. Но благодаря созданию современных автоматизированных комплексов, способных с высокой скоростью обрабатывать полученную информацию, открываются новые возможности ее применения. В нашей стране пока успешно функционирует один комплекс полностью автоматизированной обработки данных трековых детекторов. Он находится в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН.
Эксперименты с применением ядерной эмульсии в некоторой степени можно сравнить с работами в палеонтологии, когда по частям скелета доисторических животных восстанавливается их облик, или же когда по некоторым частям растения производится восстановление всей его системы. Только в случае с ядерной эмульсией размах возможно расшифрованных загадок несколько иной. Она является идеальным материалом для прорисовки дополнительных черточек к существующей картине мира. Дело в том, что ядерная эмульсия является объёмным детектором, так как элементарные частицы проходят сквозь неё в любых направлениях. При прохождении через эмульсию частицы сталкиваются, распадаются и иным образом взаимодействуют с ядрами фотоэмульсии: элементарные заряженные частицы ионизируют кристаллики бромида серебра вдоль своей траектории, которые при последующем проявлении превращаются в частички металлического серебра, видимые в обычный оптический микроскоп. Так формируются треки, анализируя которые можно восстановить все события, происходившие в толще эмульсии.
"Раньше эмульсию обрабатывали вручную: человек, работающий на оптическом микроскопе с увеличением до 90x, находил глазами нужные точки начала и конца трека частицы и записывал данные с измерительных линеек. Но, например, только в одном слое эмульсии в одном ядро-ядерном взаимодействии, где может появиться несколько тысяч вторичных частиц, этих точек, соответственно, будет десятки тысяч. Поэтому процесс ручной обработки и анализа событий в эмульсии растягивался на месяцы, а то и на годы. С появлением автоматизированных комплексов стала возможной обработка за существенно меньшее время", - говорит один из авторов фиановского программного обеспечения для автоматизированной обработки данных трековых детекторов, кандидат физ.-мат. наук Андрей Александров.
"Темой моей диссертации была реализация автоматизированной обработки данных ядерных эмульсий эксперимента EMU-15 по изучению сверхплотного состояния вещества при высоких энергиях - насколько нам известно, до сих пор остающегося единственным чисто российским экспериментом ЦЕРНа, - продолжает А. Александров. - Без создания в ФИАНе Полностью АВтоматизированного Измерительного КОМплекса в обозримом будущем это было бы невозможно"
Руководителем группы ПАВИКОМ является доктор физико-математических наук Наталья Геннадьевна Полухина.
"Благодаря созданному А.Александровым программному комплексу обработка данных существенно ускорилась, - комментирует Н.Г.Полухина. - То, на что раньше уходили многие месяцы тяжёлого и изнурительного труда группы микроскопистов, теперь можно сделать за считанные минуты. Так, например, на обработку лишь одного события эксперимента EMU-15 раньше требовался год, в то время как теперь на ПАВИКОМе - лишь 10-20 минут. Скорость сканирования данных эксперимента EMU-15 достигла 2 см2 в час. С такой скоростью программа в режиме online находит, распознает и записывает характеристики примерно двух тысяч треков на одном эмульсионном слое. А в начале 2010 года в строй вводится третья очередь комплекса ПАВИКОМ с увеличением скорости обработки данных примерно на порядок"
"Программное обеспечение комплекса имеет модульное строение. Каждый модуль отвечает за что-то конкретное - за видеокамеру, за определенный микроскоп, за обработку данных, за координацию блоков между собой, за общение с пользователем и т.п. Это очень удобно, так как дает возможность подстраивать его под определенные условия, например, под новое оборудование или под новую задачу. И для того, чтобы включить в программу обработки новый микроскоп нужно будет написать всего один модуль", - заканчивает Андрей Александров.
Стоит обратить внимание, что, помимо решения чисто научных задач, ядерная эмульсия используется и в целом ряде прикладных работ. Например, в медицине - для моделирования процесса облучения онкологических больных протонными пучками; в вулканологии - для предсказания возможности извержения вулкана, что уже делают японские физики на склоне Везувия. Также с помощью ядерной эмульсии - весьма недорого и простого в эксплуатации детектора, не требующего никакого энергетического обеспечения или технического обслуживания, - методом мюонной радиографии можно проводить неразрушающий контроль труднодоступных опор мостов и эстакад на наличие в них трещин или "просвечивать" доменные печи на наличие в них "проблемных" мест. Эти и другие задачи становятся полем применения методик, которые развивались в физике в течение нескольких десятков лет и сейчас приобрели особую значимость благодаря современным методам обработки информации.
***
Создан многоволновой рентгеновский рефлектометр для диагностики наноструктур
Физики и инженеры-электронщики из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и конструкторы из ООО "Институт рентгеновской оптики" (ИРО) совместно создали многоволновой рентгеновский рефлектометр для диагностики наноструктур. Разработка оказалась удачной и оправдала себя, начинается изготовление второго коммерческого образца установки.
Рентгеновская рефлектометрия применяется для бесконтактной неразрушающей диагностики слоистых тонкопленочных наноструктур. Этот метод позволяет определить толщину слоев пленок нанометровой толщины или шероховатость поверхностей, период многослойных наноструктур и диффузионное размытие внутренних границ раздела.
Разработка ФИАН совместно с ИРО - многоволновой рефлектометр "X-Ray MiniLab-N" (N - количество исходно возможных аналитических функций). По сравнению с существующими одноволновыми рефлектометрами многоволновой рефлектометр "X-Ray MiniLab-N" имеет более высокие метрологические характеристики, впервые позволяет проводить одновременные измерения на нескольких длинах волн и обеспечивает новые диагностические возможности анализа поверхности слоев. Под аналитическими функциями, по совокупности которых установка не имеет мировых аналогов, имеются в виду такие методики исследований, как рефлектометрия, дифрактометрия, рефрактометрия, малоугловое рассеяние, рентгено-флуоресцентный анализ и др. Из-за совмещения большого количества методик исследований в одной установке система и называется минилабораторией. При этом количество необходимых аналитических функций определяется конкретно под каждого заказчика в соответствии с его задачами и потребностями.
Родоначальником идеи является Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН в лице специалистов ФИАН - доктора физ.-мат. наук Александра Турьянского (руководитель проекта), доктора физ.-мат. наук Александра Виноградова и кандидата технических наук Игоря Пиршина. В начале 2000-х годов эти фиановские физики запатентовали разработанную ими измерительную схему двухволнового рефлектометра и создали экспериментальный макет установки (на котором, кстати говоря, работают до сих пор). Идея была коммерциализована с помощью сотрудников Института рентгеновской оптики.
"Мы являемся активными экспериментаторами, поэтому и система проектировалась так, чтобы была возможность модернизации с целью постановки дополнительных экспериментов. Так что оператор, работающий на установке, может установить на прибор необходимые дополнительные устройства, наращивающие аналитические возможности", - комментирует Александр Турьянский.
Это существенно отличает многоволновой рефлектометр "X-Ray MiniLab-N" от "принципиально подобных" зарубежных систем (не от аналогов, так как их нет), потому что зарубежные компании на сегодняшний день менять в своих установках ничего не разрешают. Пойти наперекор предписанным ими правилам . означает возможность оказаться снятым не только с гарантийного обязательства, но и с технического обслуживания. При коммерциализации многоволнового рефлектометра было решено пойти иным путем - определять окончательную конфигурацию системы вместе с заказчиком. Так, первым заказчиком, уже работающим на установке, стал Московский институт электронной техники (МИЭТ). Их установка, ставшая первым коммерческим образцом, имеет 5 аналитических функций, и поэтому, согласно условленному правилу названия установки, называется "X-Ray MiniLab-5".
Представляется, что разработанная минилаборатория будет востребована для диагностики наноструктур российского производства.
Таким образом, на рынок выведена многофункциональная установка для исследования наноструктур, что можно считать еще одним шагом в развитии нанотехнологий и приборостроения.
