Специальный проект “Ъ-Приволжье” ко дню Российской науки

В феврале отмечается день Российской науки (8 февраля) и Международный день науки и гуманизма (12 февраля). Сотрудники Института прикладной физики Российской академии наук поделились своими достижениями за 2020 год с приволжской редакцией «Коммерсанта».

Молниевая активность

Светлана Дементьева, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории атмосферного электричества ИПФ РАН

«Развитие систем, которые помогают спрогнозировать возникновение природного явления за сутки до его наступления, является одной из наиболее сложных и важных задач современной физики атмосферы. Такие системы основаны на современных численных моделях. Они помогают повысить надежность краткосрочного прогнозирования экстремальных осадков, порывов ветра, метеоусловий в аэропортах и, соответственно, штормовых предупреждений.

В прошлом году мы предложили новый алгоритм распознавания гроз по данным измерений метеорадиолокатора и новый метод прогноза грозовых событий с использованием численной модели состояния атмосферы.

Сейчас наши разработки уже используются в региональной системе краткосрочного прогноза. Как показал анализ данных метеорадара «Нижний Новгород» и данных о молниевой активности, зафиксированной глобальной грозопеленгационной сетью, наш метод превосходит по точности распознавания гроз общепринятый алгоритм, на котором работает программное обеспечение метеорологических радиолокаторов.

Новый метод прогноза грозовых событий основан на комплексном сравнении модельных пространственно-временных распределений радиолокационной отражаемости с характерными параметрами мощных конвективных явлений. Для верификации метода привлекались данные глобальной грозопеленгационной сети и данные региональной сети измерений квазистатического электрического поля. Проверка показала, что предложенные алгоритмы позволяют точнее прогнозировать грозовые явления, чем индексы неустойчивости атмосферы, которые чаще всего используются для прогноза гроз. Исследование было поддержано грантами Российского фонда фундаментальных исследований».

Молекулярная спектроскопия

Максим Кошелев, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела микроволновой спектроскопии ИПФ РАН

«Молекулярные спектры, как отпечатки пальцев у людей, позволяют однозначно идентифицировать молекулу, которой они принадлежат. Спектральные (неинвазивные) методы анализа используются, например, для контроля технологических процессов, в медицине – для анализа выдыхаемого пациентом воздуха для обнаружения молекул-маркеров, характерных тем или иным заболеваниям, для решения задач в области экологии и безопасности (анализ присутствия взрывчатых или отравляющих веществ или исходных продуктов для их изготовления). Чем выше чувствительность спектрометра, тем меньшее количество молекул требуется для обнаружения вещества.

Две уникальные технологии ИПФ РАН, гиротрон – источник мощного когерентного излучения, и радиоакустический детектор молекулярного поглощения, соединенные в одном спектрометре, позволили достичь рекордной чувствительности для регистрации молекулярных спектров миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

В исследованиях, которые были поддержаны Российским научным фондом, мы получили записи слабых линий метана, которые никаким другим спектральным методом на сегодняшний день не могут быть получены. Результаты исследований опубликованы в одном из ведущих физических журналов IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology».

Рентгеновские зеркала

Сергей Гарахин, младший научный сотрудник лаборатории основ наноэлектронной компонентной базы информационных технологий ИФМ РАН (филиал ИПФ РАН)

«Многослойные рентгеновские зеркала активно применяются в астрономии, литографии и приборостроении. Однако, прежде чем ставить зеркало на телескоп, необходимо удостовериться, что оно отражает в нужном диапазоне длин волн. В полной мере все проблемы рефлектометрии решаются в синхротронных центрах, но, чтобы оперативно проверить отражательные свойства зеркала, которое еще находится в процессе разработки структуры, необходимы лабораторные рефлектометры.

На данный момент используются несколько типов лабораторных рефлектометров. Один из них – на основе разборной рентгеновской трубки имеет линейчатый спектр источника – с его помощью можно проводить измерения только на этих длинах волн. Зато у него отличное спектральное разрешение.

Другой тип рефлектометров, с лазерно-плазменными источниками, имеют уже сплошной спектр, а не линейчатый. Он позволяет проводить измерения на разных длинах волн, однако качество разрешения у него гораздо хуже.

Мы разработали лабораторный рефлектометр, который совмещает в себе достоинства обоих типов приборов и позволяет аттестовать зеркала диаметром до полуметра.

Чтобы проверить точность измерений, данные, полученные на нашем рефлектометре, сравнивались с данными эталонных измерений, сделанными на синхротроне BESSY II (единственный синхротрон 3-го поколения в Германии)».

Миниатюрные фотонные устройства

Елена Анашкина, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории экстремальной нелинейной оптики ИПФ РАН

«Миниатюрные фотонные устройства на основе микрорезонаторов востребованы для задач фундаментальной науки и различных приложений, среди которых оптоволоконные телекоммуникации, оптическая фильтрация излучения, спектроскопия, диагностика различных газов, жидкостей, биомолекул и вирусов.

Микрорезонаторы могут иметь различные конструкции, например, представлять собой стеклянные шарики с размерами от десятков до сотен микрометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса. Свет, попадая в такой шарик, распространяется вдоль экватора и может совершить миллионы оборотов, прежде чем покинет микрорезонатор. Находясь внутри микрорезонатора, сильно локализованный свет может приобретать новые свойства. Оказывается, что этими свойствами можно управлять, например, менять спектральный состав, генерировать новые длины волн.

При определенных условиях монохроматический свет может быть преобразован в свет, в составе которого присутствуют многие длины волн с фиксированным частотным интервалом между ними, что может быть использовано в телекоммуникациях в системах с несколькими каналами передачи данных с разнесением по длинам волн.

Мы занимаемся разработкой и исследованием подобных фотонных устройств. Например, недавно нам удалось продемонстрировать генерацию более чем 80 новых длин волн в телекоммуникационном диапазоне в микрорезонаторе, изготовленном на основе стандартного оптоволокна. Данные исследования поддержаны Российским научным фондом и опубликованы в престижном международном научном журнале IEEE Access».

Ионные источники

Иван Изотов, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией ионных источников ИПФ РАН

«Наша лаборатория, в том числе, занимается физикой плазмы (частично или полностью ионизированный газ), физикой магнитного удержания плазмы, в основном, применительно к ионным источникам, но не только. Уже больше 10 лет мы сотрудничаем с научной группой из университета города Йювяскюля в Финляндии, проводим эксперименты на их установке – классическом ионном источнике с ЭЦР-нагревом (электронно циклотронный резонанс). Такие источники используют большинство лабораторий, работающих с ускорителями (самая известная – Большой адронный коллайдер). Считалось, что плазма в ускорителях стабильна за счет особой конфигурации магнитного поля. Однако было также известно, что, если установить все параметры источника на максимум, это приведет не к дальнейшему росту вырабатываемого тока, а наоборот, к уменьшению. Поэтому все установки обычно работали в оптимальном, но далеком от максимума режиме. Вместе с нашими финскими коллегами мы объяснили, почему возникает такое ограничение.

Это поможет лабораториям, занимающимся передовыми исследованиями в области ядерной физики, существенно сэкономить на модернизации своих установок: не покупать или создавать новые, более мощные ионные источники, а улучшить уже имеющиеся.

Еще до нас разные лаборатории в мире выяснили, что для стабилизирования плазмы необходимо зайдествовать два нагревающих СВЧ-генератора, которые работают на разных частотах. Этот способ увеличения производительности даже используют коммерческие фирмы, производящие ионные источники. Но почему так происходит, никто не знал. Мы с коллегами из Финляндии представили теоретические обоснования, а затем показали экспериментально, почему добавление второй частоты помогает стабилизировать плазму, избавиться от неустойчивости и создать условия, при которой ускорители частиц смогут работать при максимальной мощности. Объяснение этого эффекта позволило продвинуться в понимании механизмов развития кинетических неустойчивостей в плазме и помогло в определении способов повышения производительности существующих ионных источников лишь за счет их тонкой настройки. Так, на установке в Йювяскюле было продемонстрировано двукратное увеличение среднего заряда ионов лишь за счет верной подстройки параметров, тогда как увеличение на несколько процентов уже считается успехом».