СМИ о нас

Коллектив российских ученых из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и МФТИ провел детальное исследование электромагнитных излучений, сопровождающих развитие протяженных атмосферных разрядов, инициированных в лабораторных условиях. Впервые была составлена подробная хронологическая карта генерации различных видов излучений, включая высокочастотное (ВЧ-, ~10–100 МГц), сверхвысокочастотное (СВЧ-, ~1–6 ГГц), рентгеновское (фотоны с энергиями от 5 кэВ до 1 МэВ), а также оптические излучения в ближнем инфракрасном (700–1100 нм) и ближнем ультрафиолетовом (300–400 нм) диапазонах. Результаты исследований позволили лучше понять механизмы генерации излучений в протяженных высоковольтных разрядах, их временные корреляции, а также определить локальные источники излучений. Работа опубликована в Journal of Applied Physics. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-19-00524).

Известно, что высоковольтные атмосферные разряды, например, молнии, сопровождаются излучением в широком спектре частот. Генерация того или иного вида электромагнитного излучения зависит от временной стадии эволюции разряда, параметров плазменных структур, прокладывающих путь развития разряда, параметров самой газоразрядной среды, в которой формируется разряд, и многих других факторов. Механизмы генерации некоторых видов излучений в атмосферных разрядах, связанных, например, с появлением высокоэнергетичных фотонов (с энергиями более единиц кэВ) или началом эмиссии широкополосного радиоизлучения, еще недостаточно изучены. Современные исследования показывают, что испускание разрядами радиоволн в диапазоне порядка 10–100 МГц может быть связано со вспышечным развитием стримерных корон, берущих начало от прогретых плазменных каналов — лидеров или же прорастающих от пространственных областей с повышенной ионизацией, называемых иногда изолированными структурами. Это плазменные образования, которые могут появляться на пути распространения результирующего канала разряда и развиваться независимо от него, оказывая при этом определенное влияние на его пространственную эволюцию и генерацию различных электромагнитных излучений. Однако физика быстропротекающих процессов в газоразрядной среде, определяющих генерацию сверхвысокочастотного радиоизлучения (в ГГц диапазоне частот) и высокоэнергетичных рентгеновских фотонов, до сих пор остается предметом активных научных дискуссий.

Ранее было установлено, что при инициировании лабораторных атмосферных разрядов при мегавольтных напряжениях удается зарегистрировать рентгеновские фотоны с энергиями в сотни кэВ. Эмиссия рентгеновского излучения может проявлять сложную пространственную структуру и анизотропию углового распределения, а сам «источник» генерации данного излучения способен распространяться в объеме разряда вдоль плазменных структур с ультравысокой скоростью порядка 1010 см/с. При этом первый источник часто возникает вдали от электродов, примерно в области середины разрядного промежутка. Кроме того, исследования выявили определенную корреляцию между появлением вспышек рентгеновского излучения и генерацией СВЧ-излучения в диапазоне 1–6 ГГц.

В рамках эксперимента ученые провели исследования на большой высоковольтной установке, способной генерировать электрические разряды длиной метрового масштаба при напряжениях в миллион вольт и токах порядка десятка килоампер. Разряд инициировался в выходном узле установки, который включал в себя два металлических электрода — отрицательно заряженный конический катод с иглой по центру и заземленный сетчатый анод, расположенных друг напротив друга на расстоянии 55 см. Когда на катод подавали высокое напряжение, в атмосферном воздухе в промежутке между электродами возникал электрический разряд, похожий на разряд реальной молнии. Развитие разряда сопровождалось генерацией различных электромагнитных излучений. Для их регистрации вокруг установки исследователями был размещен целый комплекс приборов высокого временного и пространственного разрешения. В частности, использовались специальные сборки быстрых сцинтилляционных рентгеновских детекторов, фотоэлектронных умножителей, чувствительных к излучению в ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах, система из сверхширокополосных антенн для регистрации радиоизлучений. Дополнительно фиксировалась эволюция разряда с помощью наносекундной фотосъёмки плазменных структур и измерялись ток и напряжения разряда. Благодаря полученным многочисленным экспериментальным данным исследователями была создана универсальная хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами (рисунок 1).

В ходе экспериментов ученые выяснили, что в самые первые моменты существования разряд развивается в виде протяженной стримерной короны — слабоионизованной плазмы, формируемой первичными стримерами, распространяющимися от катода навстречу заземленному аноду. Данной стадии развития разряда присуще интенсивное излучение в диапазоне ближнего ультрафиолета и менее интенсивное в области ближнего инфракрасного диапазона (рисунок 2). Примерно на этой же стадии развития разряда наблюдается генерация маломощного высокочастотного радиоизлучения в МГц диапазоне частот (рисунок 3).

Ситуация кардинально меняется, когда с поверхности анода стартуют встречные стримеры. Распространяясь с колоссальной скоростью — порядка десятка тысяч километров в секунду — эти стримеры за десятки наносекунд пересекают весь разрядный промежуток и формируют сложную разветвленную структуру плазменных каналов между противоположными электродами. Показано, что в этот момент резко повышается мощность как высокочастотного (МГц), так и сверхвысокочастотного (ГГц) радиоизлучений. Данный процесс, в свою очередь, сопровождается короткой по времени вспышкой ближнего инфракрасного излучения, а также появлением жесткого рентгеновского излучения. Частотно-временные характеристики радиоизлучений, зарегистрированных в ходе эксперимента, наглядно демонстрируют динамические спектрограммы на рисунках 4 и 5.

С использованием различных комбинаций сборок рентгеновских детекторов и наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда исследователям удалось показать, что генерация рентгеновского излучения может начинаться практически синхронно вдоль всего разрядного промежутка через десятки наносекунд после первых актов взаимодействий встречных стримеров с прикатодной зоной (рисунок 6). Самые первые вспышки рентгеновского излучения при этом наблюдаются в стадии развития разряда, когда в промежутке уже сформирована сложная сеть многочисленных плазменных каналов, а предпробойный ток и напряжение разряда составляют около 500 А и 1 МВ.

Результаты измерений эмиссий рентгеновского излучения в периферийной области разрядного промежутка (с учетом данных, ранее полученных в работе ) показали, что на протяжении всей длины разрядного промежутка преобладает эмиссия фотонов с энергиями от 5 до 17 кэВ. Генерация фотонов с энергией в сотни кэВ (но, не выше 300 кэВ) характерна для катодной, прикатодной, анодной и околоанодной областей разряда, тогда как примерно в середине разрядного промежутка (вдали от обоих электродов) наблюдаются преимущественно низкоэнергетические фотоны. В совокупности же в разряде регистрируются фотоны с энергиями вплоть до 1 МэВ (рисунок 7).

«Результаты наших исследований могут помочь в построении согласованных моделей механизмов генерации рентгеновских излучений в протяженных высоковольтных разрядах, инициированных в лабораторных условиях, и грозовых разрядах в атмосфере Земли, — отметил Ярослав Болотов, ассистент Физтех-кластера академической и научной карьеры МФТИ, — Благодаря полученным экспериментальным данным нам удалось установить динамику процессов в газоразрядной среде и связанных с ними электромагнитных излучений, предшествующих появлению первых вспышек рентгеновского излучения. Например, было установлено, что перед началом эмиссии рентгеновского излучения плазменная система в разрядном промежутке испускает мощную вспышку в диапазоне ближнего ИК, которая фактически служит временным репером для отслеживания моментов появления первых вспышек высокоэнергетичных фотонов».

«Измерения различных излучений и результаты наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда показали, что резкие изменения в характере генерации различных электромагнитных излучений связаны с некоторыми особенностями процессов плазмообразования, возникающих, начиная с момента замыкания всего разрядного промежутка первыми результирующими плазменными каналами, которые, однако, не обладают высокой степенью ионизации. Данное наблюдение указывает на принципиально сложный характер коллективных процессов в плазменной среде, способных вызывать генерацию различных типов излучений. Мы полагаем, что проведенные исследования будут полезны для развития новых методов диагностики электрических явлений и разрядов в земной атмосфере» — рассказал Александр Огинов, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего Отдела физики высоких плотностей энергии Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.

«Одним из достижений проведенной работы является созданная хронологическая карта, которая детально описывает ключевые временные корреляции между различными типами электромагнитных излучений в широком спектральном диапазоне. В рамках идеи масштабирования газоразрядных процессов в земной атмосфере данная карта может быть полезна для последующих поисковых, теоретических и экспериментальных исследований, нацеленных раскрыть физику локальных источников и ключевых механизмов генерации сверхширокополосного радиоизлучения и высокоэнергетичных фотонов во время грозовых явлений и лабораторных атмосферных разрядов» — рассказал Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего лаборатории лазерной диагностики плазменных структур Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.

Результаты исследований могут помочь расширить современное представление о механизмах формирования протяженных разрядов и связанных с ними электромагнитных явлений, важных для понимания закономерностей формирования натурных молниевых разрядов и разработки новых методов их диагностики. Полученные в работе результаты могут быть использованы при совершенствовании систем грозопеленгации, молниезащиты и подавления мощных электромагнитных помех, в разработке аэрокосмической техники и в технологиях управления плазмой, в импульсных электрофизических системах и устройствах, используемых в современной энергетике.

В дальнейшем ученые планируют исследовать пространственные характеристики источников рентгеновского излучения с еще большей точностью, а также разработать модели, объясняющие механизмы генерации радиоизлучений в ГГц-диапазоне частот.

Рисунок 1. Хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами. На верхней панели показаны типичные осциллограммы тока и напряжения разряда. На средней панели показана хронология развития разряда — результаты наносекундной фотосъёмки. На нижней панели показана временная карта всех зарегистрированных электромагнитных излучений. Наклонные штриховые линии характеризуют временные интервалы, когда амплитуды соответствующих сигналов излучения достигают максимальных значений. Отдельно отмечены временные интервалы, когда рентгеновские вспышки наблюдаются чаще всего. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 2. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) и оптическим излучением в диапазонах длин волн ближнего УФ (300–400 нм) и ИК (700–1100 нм) вместе с формами напряжения, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 3. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), ВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 10–100 МГц) и рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) вместе с формами тока и напряжения разряда, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 4. Спектрограммы сигналов ВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–600 МГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 5. Спектрограммы сигналов СВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–6 ГГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 6. Пространственно-временная локализация зон генерации рентгеновского излучения в течение временных интервалов наносекундной съемки плазменных структур разряда. Задержка между кадрами камеры составляет 5 нс. Параметр Exp: обозначает время экспозиции кадра. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 7. Временная картина появления рентгеновских вспышек в трех сериях измерений по 250 событий с использованием свинцовых фильтров различной толщины (3 мм, Eν 170 кэВ; 10 мм, Eν 300 кэВ и 50 мм,Eν 870 кэВ). Источник: Journal of Applied Physics.

Научная статья: E. V. Parkevich, K. V. Shpakov,I. S. Baidin, A. A. Rodionov,A. I. Khirianova, Ya.K. Bolotov, V. A. Ryabov. Temporal map of electromagnetic emissions produced by laboratory atmospheric discharges. J. Appl. Phys. 136, 173301 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0231084 .

https://zanauku.mipt.ru/2025/04/04/uchenye-prodvinulis-v-izuchenii-vremennyh-korrelyatsij-mezhdu-razlichnymi-vidami-elektromagnitnyh-izluchenij-sozdavaemyh-molnievymi-razryadami-v-atmosfernom-vozduhe/

Коллектив ученых из ФИАН РАН и МФТИ провел детальное исследование электромагнитных излучений, сопровождающих развитие протяженных атмосферных разрядов, инициированных в лабораторных условиях. Впервые составлена подробная хронологическая карта генерации различных видов излучений, включая высокочастотное, сверхвысокочастотное, рентгеновское, а также оптические излучения в ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах. Результаты исследований позволили лучше понять механизмы генерации излучений в протяженных высоковольтных разрядах, их временные корреляции, а также определить локальные источники излучений.

Новые эксперименты раскрыли механизмы излучения при атмосферных разрядах / © U.S. Air Force, ru.wikipedia.org

Работа опубликована в Journal of Applied Physics. Исследования проведены при поддержке Российского научного фонда.

Известно, что высоковольтные атмосферные разряды, например молнии, сопровождаются излучением в широком спектре частот. Генерация того или иного вида электромагнитного излучения зависит от временной стадии эволюции разряда, параметров плазменных структур, прокладывающих путь развития разряда, параметров самой газоразрядной среды, в которой формируется разряд и многих других факторов. Механизмы генерации некоторых видов излучений в атмосферных разрядах, связанных, например, с появлением высокоэнергетичных фотонов (с энергиями более единиц кэВ) или началом эмиссии широкополосного радиоизлучения, еще недостаточно изучены.

Современные исследования показывают, что испускание разрядами радиоволн в диапазоне порядка 10–100 МГц может быть связано со вспышечным развитием стримерных корон, берущих начало от прогретых плазменных каналов – лидеров или же прорастающих от пространственных областей с повышенной ионизацией, называемых иногда изолированными структурами. Это плазменные образования, которые могут появляться на пути распространения результирующего канала разряда и развиваться независимо от него, оказывая при этом определенное влияние на его пространственную эволюцию и генерацию различных электромагнитных излучений. Однако физика быстропротекающих процессов в газоразрядной среде, определяющих генерацию сверхвысокочастотного радиоизлучения (в ГГц диапазоне частот) и высокоэнергетичных рентгеновских фотонов, до сих пор остается предметом активных научных дискуссий.

Ранее было установлено, что при инициировании лабораторных атмосферных разрядов при мегавольтных напряжениях удается зарегистрировать рентгеновские фотоны с энергиями в сотни кэВ. Эмиссия рентгеновского излучения может проявлять сложную пространственную структуру и анизотропию углового распределения, а сам «источник» генерации данного излучения способен распространяться в объеме разряда вдоль плазменных структур с ультравысокой скоростью, порядка 10¹⁰ см/сек. При этом первый источник часто возникает вдали от электродов, примерно в области середины разрядного промежутка. Кроме того, исследования выявили определенную корреляцию между появлением вспышек рентгеновского излучения и генерацией СВЧ-излучения в диапазоне 1–6 ГГц.

В рамках эксперимента ученые провели исследования на большой высоковольтной установке, способной генерировать электрические разряды длиной метрового масштаба при напряжениях в миллион вольт и токах порядка десятка килоампер. Разряд инициировался в выходном узле установки, который включал в себя два металлических электрода — отрицательно заряженный конический катод с иглой по центру и заземленный сетчатый анод, расположенных друг напротив друга на расстоянии 55 см. Когда на катод подавали высокое напряжение, в атмосферном воздухе в промежутке между электродами возникал электрический разряд, похожий на разряд реальной молнии.

Развитие разряда сопровождалось генерацией различных электромагнитных излучений. Для их регистрации вокруг установки исследователями был размещен целый комплекс приборов высокого временного и пространственного разрешения. В частности, использовались специальные сборки быстрых сцинтилляционных рентгеновских детекторов, фотоэлектронных умножителей, чувствительных к излучению в ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах, система из сверхширокополосных антенн для регистрации радиоизлучений. Дополнительно фиксировалась эволюция разряда с помощью наносекундной фотосъемки плазменных структур, и измерялись ток и напряжения разряда. Благодаря полученным многочисленным экспериментальным данным исследователями была создана универсальная хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами (Рис. 1).

Рисунок 1. Хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами. На верхней панели показаны типичные осциллограммы тока и напряжения разряда. На средней панели показана хронология развития разряда – результаты наносекундной фотосъемки. На нижней панели показана временная карта всех зарегистрированных электромагнитных излучений. Наклонные штриховые линии характеризуют временные интервалы, когда амплитуды соответствующих сигналов излучения достигают максимальных значений. Отдельно отмечены временные интервалы, когда рентгеновские вспышки наблюдаются чаще всего / © Journal of Applied Physics

В ходе экспериментов ученые выяснили, что в самые первые моменты существования разряд развивается в виде протяженной стримерной короны — слабоионизованной плазмы, формируемой первичными стримерами, распространяющимися от катода навстречу заземленному аноду. Данной стадии развития разряда присуще интенсивное излучение в диапазоне ближнего ультрафиолета и менее интенсивное в области ближнего инфракрасного диапазона (Рис. 2). Примерно на этой же стадии развития разряда наблюдается генерация маломощного высокочастотного радиоизлучения в МГц диапазоне частот (Рис. 3).

Рисунок 2. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) и оптическим излучением в диапазонах длин волн ближнего УФ (300–400 нм) и ИК (700–1100 нм) вместе с формами напряжения, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке / © Journal of Applied Physics

Рисунок 3. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), ВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 10–100 МГц) и рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) вместе с формами тока и напряжения разряда, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке / © Journal of Applied Physics

Ситуация кардинально меняется, когда с поверхности анода стартуют встречные стримеры. Распространяясь с колоссальной скоростью — порядка десятка тысяч километров в секунду — эти стримеры за десятки наносекунд пересекают весь разрядный промежуток и формируют сложную разветвленную структуру плазменных каналов между противоположными электродами. Показано, что в этот момент резко повышается мощность как высокочастотного (МГц), так и сверхвысокочастотного (ГГц) радиоизлучений. Данный процесс, в свою очередь, сопровождается короткой по времени вспышкой ближнего инфракрасного излучения, а также появлением жесткого рентгеновского излучения. Частотно-временные характеристики радиоизлучений, зарегистрированных в ходе эксперимента, наглядно демонстрируют динамические спектрограммы на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Спектрограммы сигналов ВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–600 МГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени / © Journal of Applied Physics

С использованием различных комбинаций сборок рентгеновских детекторов и наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда исследователям удалось показать, что генерация рентгеновского излучения может начинаться практически синхронно вдоль всего разрядного промежутка, через десятки наносекунд после первых актов взаимодействий встречных стримеров с прикатодной зоной (Рис. 6). Самые первые вспышки рентгеновского излучения при этом наблюдаются в стадии развития разряда, когда в промежутке уже сформирована сложная сеть многочисленных плазменных каналов, а предпробойный ток и напряжение разряда составляют около 500 А и 1 МВ.

Рисунок 5. Спектрограммы сигналов СВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–6 ГГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени / © Journal of Applied Physics

Результаты измерений эмиссий рентгеновского излучения в периферийной области разрядного промежутка (с учетом данных, ранее полученных в работе показали, что на протяжении всей длины разрядного промежутка преобладает эмиссия фотонов с энергиями от 5 до 17 кэВ. Генерация фотонов с энергией в сотни кэВ (но не выше 300 кэВ) характерна для катодной, прикатодной, анодной и околоанодной областей разряда, тогда как примерно в середине разрядного промежутка (вдали от обоих электродов) наблюдаются преимущественно низкоэнергетические фотоны. В совокупности же в разряде регистрируются фотоны с энергиями вплоть до 1 МэВ (Рис. 7).

«Результаты наших исследований могут помочь в построении согласованных моделей механизмов генерации рентгеновских излучений в протяженных высоковольтных разрядах, инициированных в лабораторных условиях, и грозовых разрядах в атмосфере Земли, — отметил Ярослав Болотов, ассистент Физтех-кластера академической и научной карьеры МФТИ,  — Благодаря полученным экспериментальным данным нам удалось установить динамику процессов в газоразрядной среде и связанных с ними электромагнитных излучений, предшествующих появлению первых вспышек рентгеновского излучения. Например, было установлено, что перед началом эмиссии рентгеновского излучения плазменная система в разрядном промежутке испускает мощную вспышку в диапазоне ближнего ИК, которая фактически служит временным репером для отслеживания моментов появления первых вспышек высокоэнергетичных фотонов».

«Измерения различных излучений и результаты наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда показали, что резкие изменения в характере генерации различных электромагнитных излучений связаны с некоторыми особенностями процессов плазмообразования, возникающих, начиная с момента замыкания всего разрядного промежутка первыми результирующими плазменными каналами, которые, однако, не обладают высокой степенью ионизации. Данное наблюдение указывает на принципиально сложный характер коллективных процессов в плазменной среде, способных вызывать генерацию различных типов излучений. Мы полагаем, что проведенные исследования будут полезны для развития новых методов диагностики электрических явлений и разрядов в земной атмосфере» — рассказал Александр Огинов, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего Отдела физики высоких плотностей энергии Физического института имени П.Н. Лебедева.

Рисунок 6. Пространственно-временная локализация зон генерации рентгеновского излучения в течение временных интервалов наносекундной съемки плазменных структур разряда. Задержка между кадрами камеры составляет 5 нс. Параметр Exp: обозначает время экспозиции кадра / © Journal of Applied Physics

«Одним из достижений проведенной работы является созданная хронологическая карта, которая детально описывает ключевые временные корреляции между различными типами электромагнитных излучений в широком спектральном диапазоне. В рамках идеи масштабирования газоразрядных процессов в земной атмосфере данная карта может быть полезна для последующих поисковых теоретических и экспериментальных исследований, нацеленных раскрыть физику локальных источников и ключевых механизмов генерации сверхширокополосного радиоизлучения и высокоэнергетичных фотонов во время грозовых явлений и лабораторных атмосферных разрядов» — рассказал Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего Лаборатории лазерной диагностики плазменных структур Физического института имени П.Н. Лебедева.

Рисунок 7. Временная картина появления рентгеновских вспышек в трех сериях измерений по 250 событий с использованием свинцовых фильтров различной толщины (3 мм–Eν 170 кэВ, 10 мм–Eν 300 кэВ и 50 мм–Eν 870 кэВ). Источник: Journal of Applied Physics

Результаты исследований могут помочь расширить современное представление о механизмах формирования протяженных разрядов и связанных с ними электромагнитных явлений, важных для понимания закономерностей формирования натурных молниевых разрядов и разработки новых методов их диагностики. Полученные в работе результаты могут быть использованы при совершенствовании систем грозопеленгации, молниезащиты и подавления мощных электромагнитных помех, в разработке аэрокосмической техники и в технологиях управления плазмой в импульсных электрофизических системах и устройствах, используемых в современной энергетике.

В дальнейшем ученые планируют исследовать пространственные характеристики источников рентгеновского излучения с еще большей точностью, а также разработать модели, объясняющие механизмы генерации радиоизлучений в ГГц-диапазоне частот.

https://naked-science.ru/article/column/vremennye-svyazi-v-izluch

В результате реализации дорожной карты по квантовым вычислениям под эгидой Госкорпорации «Росатом», мы пришли в концу 24-го года, занимая уверенную позицию в мире
Фото: Shutterstock.

В конце 2024 года российские ученые создали 50-кубитный ионный квантовый компьютер (кубит - квантовый бит, основная единица информации в квантовых вычислениях). Это настоящий научный прорыв, учитывая, что еще совсем недавно в области квантовых вычислений у России не было особых достижений. О том, как удалось добиться такого успеха, мы поговорили с директором Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) членом-корреспондентом РАН Николаем Колачевским, сотрудники которого принимали участие в разработке чудо-машины.

МЕСТО НА ПЬЕДЕСТАЛЕ

- Николай Николаевич, правда ли, что нам удалось отыграть отставание от лидеров квантовой гонки, которое, по некоторым оценкам, было порядка 20 лет?

- Давайте вернемся в 2020 год, когда под руководством Росатома стартовала дорожная карта “Квантовые вычисления”, и посмотрим, что было у нас и у мировых лидеров. Только считать фору будем не в годах, а в технологиях. За рубежом весьма успешные работы велись по сверхпроводящим платформам (квантовые компьютеры разрабатываются на 4 платформах: сверхпроводящей, атомной, ионной и фотонной - Ред). За этими исследованиями стояли такие гиганты как Google и IBM - то есть дело было поднято на серьёзный уровень. И по ионной платформе работали две очень сильные группы. Это австрийская команда Райнера Блатта - родоначальники ионных квантовых вычислений. У них уже был 20-кубитник с неплохими характеристиками, и образцы внелабораторных систем в “коробочном” исполнении, которые можно было уже выводить на рынок. Вторая группа — это американцы из команды Кристофера Монро, последователи лучших квантовых традиций Нобелевского лауреата Дэйва Уайнленда. Они тоже к этому моменту демонстрировали квантовый компьютер мощностью в десятки кубит.

- А что было у нас?

- На всю Российскую Федерацию, был проект Фонда перспективных исследований, который, по-моему, завершился демонстрацией двух кубитов на сверхпроводниках. Я бы сказал, что это был успешный проект, потому что Россия стартовала вообще с нуля. В результате реализации дорожной карты по квантовым вычислениям под эгидой Госкорпорации «Росатом», мы пришли в концу 24-го года, занимая уверенную позицию в мире.

Да, по сверхпроводящей платформе пока нам до лидеров все-таки далеко. Мир уже ушел в сотни кубитов. Хотя надо сказать, что кубиты, как выясняется, не главное свойство квантовых компьютеров, важно качество операций и возможность коррекции ошибок. А в ионной платформе мы заняли вполне достойное место, напрямую конкурируя по характеристикам с той самой группой Райнера Блатта. Это обнадеживает, потому что мы за короткое время смогли выйти, скажем так, во второй эшелон квантовых лидеров. Да, это второе место, мы его делим с группой других стран, но это место на пьедестале почета.

- До первого места нам еще далеко?

- Американцы уже перешли на чип-системы, на манипулирование отдельными цепочками из ионов. Их процессор H2 - это практически шедевр микрофабрикации, совмещенный с квантовыми технологиями. Чтобы нам достичь такой технологии в ближайшие 5 лет надо очень-очень сильно напрягаться, подключать лучшие технологические площадки в России. Иными словами, отрыв существует и есть опасение, что в какой-то момент он может оказаться невосполнимым. Как это уже произошло в период развития классической микроэлектроники. Но пока я, скорее оптимист, чем пессимист.

Россия совершила прорыв в гонке квантовых компьютеров
Фото: Shutterstock.

ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ СМАРТФОН - ЭТО НЕСБЫТОЧНАЯ МЕЧТА?

- А в классической микроэлектронике мы это отставание сможем отыграть?

- Я вам, что называется, не скажу за всю Одессу. Наверное, будет правильно разделять микроэлектронику на два больших семейства. Первое - это процессоры с топологией порядка 60-120 нанометров, которые покрывают большинство прикладных задач. Здесь я настроен скорее позитивно.

А есть чипы существенно меньшей топологии: 30 нанометров, 12 нанометров и даже порядка 5и нанометров - это просто другая область микроэлектроники, она используется для смартфонов, суперкомпьютеров, для организации мощных вычислений. И мне кажется, что в ближайшие годы нам просто не надо на этом зацикливаться. Дело в том, что подобные задачи нужно решать под глобальные рынки. Если создавать чрезвычайно дорогостоящую фабрику, например, для производства 10-нанометровых процессоров, тогда надо производить их сотнями тысяч и более. И кто-то должен их покупать, чтобы фабрика функционировала. Иначе весь этот проект с экономической точки зрения становится фантастически убыточным. Кажется, что стране не надо сегодня в эту тематику кидаться с головой и тратить гигантские ресурсы. Причем может оказаться, что возникнет какое-нибудь “бутылочное горлышко”, например, сложности с созданием фоторезиста или синтеза одного из сотен сверхчистых материалов. В 80-е годы уже был прецедент с программой “Звездных войн”, когда мы ввязались в гонку технологий и переоценили свои возможности. Кончилось все это весьма плохо.

- Значит, создание отечественного смартфона — это несбыточная мечта?

- Полностью суверенный отечественный смартфон в обозримой перспективе - да, скорее всего, это утопия. Причем, не только для нашей - практически для любой страны. Мы же должны понимать, что если разобрать смартфон на детали: процессор, камера, оптика, экран, конденсаторы, источники питания, многослойная печать плат и так далее, то мы увидим, что все это делается в разных частях планеты. Можно по-разному объяснять, чем был вызван развал во время Перестройки, но сейчас у нас в микроэлектронике не так много чего есть в части разнообразия серийных продуктов, начиная от резисторов и кончая интегральными схемами. Нам надо многое восстанавливать, причем на современном уровне. Если мы изготавливаем хороший процессор, его надо много чем обвязывать. Возможно, это несколько больно осознавать, но без отечественного смартфона, как ни странно, можно прожить. А если посмотреть шире - на оборонные задачи, поддержание энергонезависимости, судоходство, кораблестроение, самолётостроение, навигация… Там эти сверхскоростные стандарты не очень-то нужны. И здесь мы качественные решения обеспечиваем и сможем обеспечить в дальнейшем. Сейчас в России интенсивно идет освоение топологии 90 нм, создание аппаратуры изготовления микросхем, источников излучения, литографов, синтез новых материалов.

КИТАЙСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕХВАТА НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ

- Мы же не первые отстаём от лидеров. Почему Китай сумел воспользоваться западными технологиями и сам стал лидером, а у нас как-то не очень получается?

- Китайцам можно поставить памятник за их систему перехвата научных знаний и технологий. Они высаживали большие десанты в ведущих научных центрах Америки и Европы. Китайские студенты массово осваивали передовое знание, а потом большая часть этого десанта вернулась на родину и была интегрирована в китайскую науку, причем на очень хорошие позиции с возможностью воплощать приобретенные знания и навыки. Мы тоже стараемся двигаться в этом направлении, но у нас нет ни китайской массовости, ни китайской настойчивости и последовательности. В массовости мы проигрываем по объективным причинам, у нас людские ресурсы ограничены. А с настойчивостью и последовательностью… Китайцы умеют сохранять такое традиционное вековое спокойствие и нацеленность на результат. Они не гении, далеко не везде всех опережают, но сумели создать несколько мощных прорывных центров и поступательно двигаются вперед, создавая все более и более сложные системы. Нам в этом смысле сложнее, у нас если проект через 5 лет не дал каких-то блестящих результатов, то велик риск, что мы пустим его под нож и побежим куда-то дальше в другом направлении. А потом с удивлением оглядываемся: мы много чего начинали, но до ума толком не довели. Затем эта “брошенная” технология всплывает где-то за рубежом, и мы тратим огромные ресурсы, чтобы приземлить у себя собственную же разработку.

ЗАЧЕМ УЧЕНЫЕ ИЗОБРЕТАЮТ ВЕЛОСИПЕД?

- У нас в последнее время развиваются реверсивные технологии, когда мы на фоне санкций заново переоткрываем для себя, то что уже изобрели на Западе. Например, в МФТИ создают электрический ракетный двигатель для малых спутников на основе разработки 80-х годов. Тогда проект законсервировали из-за отсутствия нужных технологий, а потом его реализовали за границей. Говорят, когда ты повторяешь кого-то - ты отстаёшь. Нынешняя ситуация, когда мы в той или иной области заново изобретаем велосипед - это шаг вперед или все-таки топтание на месте?

- Конечно, этот шаг вперед! У нас почему-то популярны такие разговоры: а зачем эти промежуточные шаги? Давайте сразу прыгнем в дамки, срежем угол и обойдем всех на повороте. Да, иногда так получается. Кстати, квантовые вычисления это одна из таких попыток перепрыгнуть сразу через 5 полей. Но вообще-то, “конь так не ходит”. Пока ты не освоил большинство промежуточных шагов, не понял, как оно работает - очень маловероятно, что ты сразу получишь блестящий результат. Конечно, иногда я вижу печаль в глазах у сотрудников Института, которым приходится от высоких передовых идей переходить к практическим приложениям.

- Это затормаживает полет научной мысли?

- В какой-то степени, да. Но, с другой стороны, вспоминаю академика Виталия Лазаревича Гинзбурга, которому прикладные задачи оборонного характера не помешали получить Сталинские, Ленинские и Нобелевскую премии за фундаментальные достижения в науке. Вернее, мешали, но не принципиально. Поэтому в реверсе технологий я большой угрозы для науки не вижу. Мы же стараемся реверсировать вещи, которых у нас в стране просто нет.

Скорее, существует угроза другого характера. Сейчас многие обсуждают, что если вдруг снимут санкции и мы вернемся обратно, скажем, в 2013-й год, то это один из самых плохих сценариев. Потому что в обеспечение технологического суверенитета страной уже вложены существенные ресурсы, они распланированы до 2030 года и дальше. Да, есть какие-то реверсные истории, но мы много развиваем своих идей. Строятся заводы, отлаживаются технологические цепочки. Если все это сейчас на полдороге бросить и опять начать массово покупать китайское, японское, американское, европейское, то это будет очень неэффективная трата ресурсов, которые уже вложены за последние несколько лет. Тогда в плане развития суверенитета, человеческого и технологического капитала, мы больше потеряем, чем приобретем. И именно здесь очень востребована настойчивость, последовательность и выдержка, как в науке, так и в государственной политике.

https://www.kp.ru/daily/27679/5069044/

В мероприятии со стороны РФ также приняли участие заместитель руководителя Секретариата Заместителя Председателя Правительства Российской Федерации Чернышенко Д.Н. Наталья Паршикова, ректор Финансового университета при Правительстве РФ Станислав Прокофьев, директор Физического института им. П.Н. Лебедева Николай Колачевский, ректор Сибирского федерального университета Максим Румянцев, проректор Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы Михаил Кацарский, генеральный директор Международного учебно-методического центра финансового мониторинга Иван Уваров, сотрудники Росфинмониторинга.

Казахстан представили Председатель Агентства РК по финансовому мониторингу Жанат Элиманов, Министр науки и высшего образования РК Саясат Нурбек, ректоры вузов и другие эксперты. С докладами выступили в том числе провост (ректор) Университета КАЗГЮУ имени М.С. Нарикбаева Сергей Пен и ректор Astana IT University Аскар Хикметов.

Руководитель Росфинмониторинга отметил многолетнее продуктивное партнерство двух стран в борьбе с общими угрозами, а также сотрудничество по ряду проектов, среди которых Международная олимпиада по финансовой безопасности. Юрий Чиханчин подчеркнул, что за пять лет географический охват Олимпиады вырос с 7 до почти 40 стран.

«Чем вызван колоссальный интерес к Олимпиаде и мероприятиям, проходящим на ее «полях»? Первая и главная причина – это стремительный приход новых информационных технологий в жизнь каждого из нас, в управление государством и деятельность компаний. Мир столкнулся с проблемой нехватки нужных знаний, в том числе в финансовой сфере. Второй причиной стали серьезные изменения политических, экономических и иных отношений между государствами, группами стран. Изменились формы и способы расчетов, финансовые потоки. Появились новые виды финансовых институтов», - сказал глава ведомства.

Олимпиада призвана решить ряд задач, среди которых обогащение знаниями в области финансовой безопасности, обучение новых специалистов для международной антиотмывочной системы и другие.

Жанат Элиманов в своем выступлении подчеркнул, что встреча станет дополнительным драйвером для формирования эффективного «пояса финбезопасности» в регионе:

«Наша главная задача – защитить граждан, особенно молодежь, от вовлечения в незаконные финансовые операции. Мы должны системно повышать уровень их знаний об основах финбезопасности и цифровой гигиены. Данный форум играет ключевую роль. Он не только послужит площадкой для обмена лучшими практиками, но и позволит совместно найти эффективные решения».

На форуме обсуждались вопросы комплексной подготовки кадров в области ПОД/ФТ, опыт обучения молодежи основам финансовой безопасности и финансовой грамотности, цифровизация в областях финансовой безопасности и ПОД/ФТ, роль искусственного интеллекта в обработке финансовой информации, проекты Международного движения по финансовой безопасности и другие темы.

О нескольких ключевых направлениях деятельности Международного движения по финансовой безопасности – продвижении духовного и культурно-исторического наследия стран-партнеров и создании единой цифровой площадки для участников Движения (платформы «Содружество») – рассказал генеральный директор МУМЦФМ Иван Уваров.

Также Иван Уваров представил информацию о развитии под эгидой Международного сетевого института единого образовательного пространства в сфере ПОД/ФТ и отметил значительный вклад, вносимый участниками МСИ в создание общества, защищенного от современных финансовых рисков и угроз.

В завершении мероприятия российская делегация посетила казахстанский вуз Astana IT University, после чего состоялось подписание соглашения о присоединении университета к Международному сетевому институту в сфере ПОД/ФТ.

Фото предоставлены пресс-службой Агентства Республики Казахстан по финансовому мониторингу

https://sodrujestvo.org/ru/news/v-astane-proshel-kazahstansko-rossiiskii-forum-po-voprosam-obucheniya-

Глава Министерства науки и высшего образования Российской Федерации Валерий Фальков наградил сотрудников ФИАН нагрудным знаком «Ветеран».

Согласно Приказу № 237 к/н «О награждении нагрудным знаком "Ветеран" Министерства науки и высшего образования Российской Федерации работников Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук» за заслуги в труде и продолжительную работу награждаются:

• Азязов Валерий Николаевич, директор Самарского филиала;
• Борисенко Наталия Глебовна, ведущий научный сотрудник;
• Величанский Владимир Леонидович, ведущий научный сотрудник;
• Дмитриева Мария Николаевна, техник 1 категории;
• Лебедев Владимир Сергеевич, руководитель Отделения оптики.

Отметим, что сотрудники ФИАН получают данную ведомственную награду впервые.

Нагрудной знак «Ветеран» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации является ведомственным знаком отличия Минобрнауки. Он также дает право на присвоение звания «Ветеран труда».

Награждение нагрудным знаком производится за заслуги в труде и продолжительную работу в сфере высшего образования и соответствующего дополнительного профессионального образования, научной, научно-технической и инновационной деятельности, нанотехнологий, развития федеральных центров науки и высоких технологий, государственных научных центров и наукоградов, интеллектуальной собственности, в сфере социальной поддержки и социальной защиты обучающихся, молодежной политики.

Ведомственная награда Министерства науки и высшего образования Российской Федерации нагрудной знак «Ветеран» была учреждена в августе 2021 года.

Информация и фото предоставлены Отделом по связям с общественностью ФИАН
Источник фото: ФИАН

https://scientificrussia.ru/partners/fian/sotrudniki-fian-vpervye-polucili-pocetnye-vedomstvennye-nagrady-minobrnauki

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и Московского физико-технического института (МФТИ) провели детальный анализ того, как когерентное лазерное излучение взаимодействует с неоднородными плазменными микроструктурами, регистрируемыми оптическими линзовыми системами. Исследователи обнаружили, что данный процесс сопровождается сложными дифракционными эффектами, которые существенным образом влияют на визуализацию плазмы в поле лазерного излучения.

Работа опубликована в Physical Review E. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-79-30086).

https://t.me/zanauku/2102

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и МФТИ провели детальный анализ того, как когерентное лазерное излучение взаимодействует с неоднородными плазменными микроструктурами, регистрируемыми оптическими линзовыми системами. Исследователи обнаружили, что данный процесс сопровождается сложными дифракционными эффектами, которые существенным образом влияют на визуализацию плазмы в поле лазерного излучения. Работа опубликована в Physical Review E. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-79-30086).

Плазма, созданная в виде ионизированного газа, обладает уникальными оптическими свойствами, которые делают её интересным объектом для исследования. Плазма активно используется в различных областях науки, техники и промышленности. Знания о её свойствах нужны для контроля процесса плазменного катализа, плазменной резки, сварки и напыления, синтеза наночастиц, при стерилизации имплантатов и хирургических инструментов, в системах поджига топливных смесей, а также в различных импульсных электроразрядных устройствах, используемых в современной энергетике.

Плазму с высокой концентрацией электронов можно изучать с помощью методов лазерного зондирования — интерферометрии, теневой и шлирен-фотосъёмки, когда вследствие взаимодействия лазерного пучка с плазменной структурой изменяются его интенсивность, фаза и поляризация. Анализируя изменения в характеристиках лазерного излучения, можно восстановить пространственное распределение диэлектрической проницаемости плазмы в рамках решения прямых и обратных дифракционных задач, а также оценить и другие её важные параметры. Однако реализация даже таких традиционных методов диагностики плазмы сталкивается с рядом сложностей.

Ключевая проблема — это дифракция лазерного излучения, которая усложняет интерпретацию результатов оптических измерений и играет важную роль в самом процессе визуализации неоднородной плазменной структуры. Обычно дифракционным эффектам при обработке результатов лазерного зондирования не придается большого значения, в частности, ввиду сложности их анализа в эксперименте. При этом в области непосредственно за плазменным объектом (ближней волновой зоне) закономерности проявления дифракционных эффектов до недавнего времени оставались недостаточно изученными. В то же время именно в ближней волновой зоне формируются ключевые особенности изображений плазменных микроструктур, и их детальное понимание необходимо для последующего точного восстановления параметров плазмы.

Чтобы изучить дифракционные эффекты, ученые провели всестороннее численное моделирование прямой задачи дифракции на основе решения скалярного волнового уравнения Гельмгольца, описывающего распространение лазерного излучения сквозь неоднородную плазменную среду.

Рисунок 1. Дифракция плоской волны на плазменном образовании. Источник: Physical Review E.

Для решения данного уравнения использовалось первое Рытовское приближение — метод асимптотического решения уравнения в парадигме функции комплексной фазы при доминирующем рассеянии волны вперед. В качестве плазменной среды были рассмотрены тонкие нити сильно ионизованной плазмы (диаметром порядка 20 мкм), выступающие в качестве модели одиночных микроканалов, из которых состоит электрическая искра в газе (примеры приведены в конце работы, опубликованной в Physical Review E). Помимо этого, ученые дополнили результаты моделирования дифракции лазерного излучения на неоднородных плазменных микроструктурах численным расчетом прохождения дифрагированного излучения сквозь оптическую линзовую систему, в оптических каналах которой реализованы методы визуализации на основе интерферометрии и теневой фотосъёмки. 

В условиях реального эксперимента возникновение и эволюция плазмы в пространстве, как правило, имеет спорадичный характер. Из-за этого оптическая линзовая система вносит определенные искажения в характеристики поля регистрируемого лазерного излучения, поскольку возрастает влияние эффекта дефокусировки — несовпадение объектной плоскости регистрации оптической системы с выходной плоскостью объекта, в которой он вносит окончательные изменения в поле проходящего излучения.

Рисунок 2. Схематическое изображение оптической системы регистрации в виде эквивалентной линзы (a). Иллюстрация фокусировки эквивалентной линзы на острийный электрод с небольшим плазменным образованием с расстоянием дефокусировки ∆d0: оно меньше нуля, если объектная плоскость линзы находится позади выходной плоскости плазменного объекта (b), больше нуля в случае, когда объектная плоскость линзы находится перед выходной плоскостью плазменного объекта (c). Источник: Physical Review E.

С использованием разработанного математического аппарата, алгоритмов численного расчета и программного кода ученые детально описали ключевые закономерности визуализации плазменных микроструктур в поле когерентного лазерного излучения. Исследователям также удалось определить роль дифракционных эффектов в процессе формирования изображений плазмы и установить множество ранее неизвестных оптических артефактов, возникающих в процессе визуализации плазмы.

Исследователи обнаружили, что даже в наиболее простых случаях взаимодействия лазерного излучения с неоднородной плазмой дифракционные эффекты оказывают существенное влияние на визуализацию плазменных микроструктур. В ближней волновой зоне данные эффекты особенно выражены и приводят к заметным искажениям в регистрируемых яркостных и фазовых картинах плазменного объекта. В частности, проявляются многочисленные флуктуации интенсивности волны и её фазового сдвига.

Рисунок 3. Дифракционные карты интенсивности (a) и сдвига фазы (b) плоской волны (с длиной волны 532 нм), смоделированные позади плазменной нити диаметром 20 мкм на дистанции до L=1 см (относительно выходной плоскости плазменного объекта). Иллюстрация поведения интенсивности (c) и сдвига фазы (d) дифрагированной волны позади объекта в периферийном направлении, а также вдоль её распространения (e) в плоскости с координатой y=0.  Яркостная картина дифракции излучения (в терминах изменений интенсивности лазерного излучения) в направлении распространения зондирующего пучка за объектом характеризуется значительным падением интенсивности волны (плазменные нити действуют как отрицательные цилиндрические линзы), тогда как на периферии картина представлена чередованием мелкомасштабных зон с увеличением или уменьшением интенсивности излучения, укладывающихся в дифракционный конус, угол при вершине которого совпадает с областью, содержащей плазменный объект. Фазовая картина дифракции излучения также характеризуется многочисленными флуктуациями, а её максимальное значение достигается в выходной плоскости объекта. По мере удаления от объекта яркостная и фазовая картины объекта становятся более искаженными в виду усиления дифракционных эффектов. Источник: Physical Review E.

Исследователями было также показано, что с уменьшением электронной плотности плазмы дифракционные эффекты, наблюдаемые в выходной плоскости объекта, становятся слабыми, тогда как масштабирование плазменных объектов не сопровождается изменением их дифракционных картин в выходной плоскости, но приводит к существенным изменениям в проявлении дифракционных эффектов вдали от объектов. В то же время было обнаружено, что по сравнению с фазовыми дифракционными картинами плазменных объектов, их яркостные картины (получаемые в терминах изменений интенсивности) оказываются наиболее чувствительными к малым вариациям в распределении электронной плотности плазмы. 

Со слов исследователей, установленные факты оказались крайне полезными при обработке реальных изображений плазменных структур, получаемых в эксперименте.

Полученные результаты численного моделирования позволили количественно предсказать основные закономерности в визуализации плазменных микроструктур, просвечиваемых когерентным лазерным излучением, а также объяснить, почему при обработке экспериментальных данных нередко наблюдаются трудно интерпретируемые оптические артефакты. Результаты численного моделирования дали хорошее согласие с экспериментальными наблюдениями, что подтверждает достоверность предложенного подхода.

Для проверки численных результатов исследователями была разработана специальная оптическая установка, включающая пикосекундный лазер Nd:YAG с излучением на длинах волн 1064 и 532 нм при длительности лазерного импульса 70 пс на длине волны 532 нм и 100 пс на длине волны 1064 нм. 

Рисунок 4. Схематическое изображение диагностической установки, используемой для визуализации плазменных микроструктур на длинах волн 532 нм и 1064 нм. Источник: Physical Review E.

Лазер был синхронизован с высоковольтным генератором, который использовался для инициирования искровых разрядов в атмосферном воздухе в коротких разрядных промежутках. При подаче наносекундного высоковольтного импульса на разрядный промежуток и после наступления его электрического пробоя в объеме газоразрядной среды начиналось формирование высокоионизованной плазмы в виде микронных токовых каналов. Данные структуры использовались, с одной стороны, в качестве объектов для исследования, а с другой — для верификации разработанных подходов к описанию их визуализации в поле лазерного излучения. 

Для этого ученые в разработанной оптической системе реализовали синхронную регистрацию лазерных тенеграмм и интерферограмм плазменных формирований с возможностью их одновременной диагностики на двух длинах волн с высоким временным и пространственным разрешением.

Рисунок 5. Визуализация плазменных микроструктур во время импульсного наносекундного разряда в атмосферном воздухе методами лазерной теневой фотосъёмки и интерферометрии на длинах волн 532 и 1064 нм. Источник: Physical Review E.

Результаты экспериментальных исследований показали, что плазменные структуры микронного диаметра демонстрируют ярко выраженные дифракционные эффекты, зависящие от длины волны лазерного излучения, степени ионизации плазмы, размера объекта. При этом удалось подтвердить ряд необычных эффектов в визуализации плазменных структур. А именно, исследователи установили, что когда объектная плоскость оптической линзовой системы сфокусирована на характерный центр симметрии плазменного образования, какие-либо заметные колебания интенсивности излучения в плоскости изображения оптической системы исчезают — объект становится невидим на тенеграммах, а фазовая картина объекта регистрируется максимально корректно. При отрицательной дефокусировке яркостная картина объекта в плоскости изображения ничем не отличается от рассчитанной позади объекта в рамках решения прямой задачи дифракции. Сами картины объекта в данном случае характеризуются размытием профиля фазового сдвига, появлением флуктуаций фазового сдвига противоположного знака, падением интенсивности изображения в центре объекта и увеличением интенсивности изображения в пределах периферии объекта. При положительной дефокусировке фазовая картина плазменного объекта похожа на наблюдаемую при положительной дефокусировке, но раскрываются небольшие отличия в формах профилей фазового сдвига. 

В то же время яркостная картина объекта оказывается инвертированной, наблюдается увеличение интенсивности изображения в центре объекта и ее ослабление на периферии объекта. Другими словами, происходит инверсия контраста изображения объекта.

Рисунок 6. Лазерная теневая фотосъёмка плазменных микроструктур во время импульсного наносекундного разряда в атмосферном воздухе в условиях отрицательного и положительного эффектов дефокусировки. Длина волны излучения 532 нм. Источник: Physical Review E.

«Глубокое понимание основных принципов визуализации плазменных микроструктур в поле когерентного лазерного излучения имеет решающее значение для их прецизионной регистрации и последующего восстановления диэлектрической проницаемости или распределения электронной плотности, — отметил Даниил Толбухин, инженер лаборатории прецизионной оптомехатроники МФТИ. — Важно также понимать, как именно визуализируется объект при его съёмке оптической линзовой системой, поскольку становится существенным эффект дефокусировки, когда объектная плоскость линзы или объектива не сфокусирована на выходную плоскость объекта. Наша работа последовательно и методично объясняет все аспекты данных проблем, а также предоставляет регламент их решения. Более того, дифракционные эффекты, которые искажают яркостные и фазовые картины объекта, можно обратить на пользу в процедуре восстановления характеристик просвечиваемого объекта по результатам его лазерной дифракционной съёмки. Это мы покажем в наших последующих исследованиях».

«Быстро эволюционирующие плазменные микроструктуры являются наиболее трудными для оптических измерений. Исследовать оптические характеристики таких объектов можно посредством их взаимодействия с когерентным лазерным излучением. Однако даже в самых простых приближениях взаимодействие лазерного излучения с микроструктурированным плазменным объектом может сопровождаться сложными дифракционными эффектами, существенно искажающими его фазовые и яркостные картины. Это неизбежно влияет на результаты фотографической съёмки с использованием лазерного излучения, приводя к некорректным данным при восстановлении параметров объекта. Данная проблема до сих пор значима во многих направлениях фундаментальной и прикладной науки», — отметил Паркевич Егор, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности руководителя Лаборатории лазерной диагностики плазменных структур Физического института имени П.Н. Лебедева. — «Результаты наших исследований раскрывают суть дифракционных эффектов, сопровождающих процесс визуализации плазменных микроструктур, позволяя учесть их при обработке лазерных изображений и значительно повысить точность их математической обработки. В дальнейшем результаты исследований могут быть полезны для развития прецизионных методов контроля генерации плазмы в импульсных газоразрядных системах, а также при создании комплексов лазерной дифракционной томографии высокого временного и пространственного разрешения».

Результаты исследований открывают большие возможности в реализации экспериментов по исследованию быстро эволюционирующих плазменных микрообъектов. Понимание ключевых аспектов дифракции лазерного излучения и закономерностей в визуализации плазменных структур позволяет значительно упростить дизайн оптических систем с лазерным зондированием, включая сами принципы регистрации плазменных объектов. Это делает результаты работы востребованными и полезными для широкой научной аудитории.

Научная статья: E. V. Parkevich, A. I. Khirianova, T. F. Khirianov, K. T. Smaznova, D. V. Tolbukhin, V. M. Romanova, I. A. Kozin, and S. A. Ambrozevich. Strong diffraction effects accompany the transmission of a laser beam through inhomogeneous plasma microstructures. Phys. Rev. E 109, 055204 – Published 14 May, 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.109.055204

https://zanauku.mipt.ru/2025/03/30/uchenye-raskryli-slozhnye-effekty-difraktsii-lazernogo-izlucheniya-v-neodnorodnyh-plazmennyh-mikrostrukturah/

Иллюстрация: pronedra.ru

Современная наука полна удивительных открытий, которые заставляют нас переосмысливать фундаментальные представления о природе мироздания. Одним из таких открытий стали данные, полученные с помощью космического телескопа нового поколения «Джеймс Уэбб». Эти данные поставили под сомнение принцип изотропности, согласно которому Вселенная должна быть однородной и изотропной, и вновь подняли вопрос о том, что наша Вселенная может находиться внутри черной дыры.

Неожиданная аномалия

Анализ 263 галактик показал, что около 60% из них вращаются по часовой стрелке, в то время как оставшиеся 40% — против. Такое распределение вызвало удивление у ученых, поскольку при равномерном и случайном распределении направление вращения должно быть примерно одинаковым. Это наблюдение стало основанием для новой волны дискуссий в научном сообществе.

Гипотеза Лиора Шамира

Физик Лиор Шамир из Университета Канзаса предложил два возможных объяснения обнаруженной аномалии. Первое объяснение связано с идеей, что Вселенная могла изначально родиться вращающейся. Это предположение хорошо согласуется с так называемой теорией «космологии черной дыры». Согласно этой модели, наша Вселенная является внутренней частью гигантской черной дыры, расположенной в более крупной «родительской» Вселенной. Таким образом, вращение может быть фундаментальным свойством нашей Вселенной.

Второе возможное объяснение связано с особенностями наблюдений. Движение Земли в космическом пространстве может искажать восприятие направления вращения далеких галактик. Некоторые из них могут казаться более яркими в инфракрасном диапазоне, что создает иллюзию преобладания определенного направления вращения.

Сомнения и скептицизм

Несмотря на сенсационность гипотезы, многие ученые относятся к ней с осторожностью. Российский астрофизик Сергей Пилипенко из Физического института имени Лебедева (ФИАН) указывает на недостаточный объем выборки и возможность методических ошибок. Кроме того, существует вероятность, что на результаты могли повлиять иные факторы, которые не были учтены при анализе данных.

«Такие наблюдения должны быть проверены на значительно большем количестве галактик. Также необходимо убедиться, что методы определения направления вращения надежны и воспроизводимы,» —

отмечает Пилипенко.

Что дальше?

Полученные данные открывают новые горизонты для исследований. Вопрос о том, является ли наша Вселенная частью гигантской черной дыры, пока остается без окончательного ответа. Однако само существование таких гипотез подчеркивает, насколько мало мы знаем о природе Вселенной.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» продолжит свою работу, собирая данные, которые помогут подтвердить или опровергнуть текущие предположения. Одно можно сказать с уверенностью: мы находимся лишь в начале пути к пониманию устройства мироздания.

Таким образом, загадка вращения галактик и вопрос о природе нашей Вселенной остаются открытыми. Возможно, именно эти исследования станут ключом к разгадке одной из самых больших тайн человечества.

Ранее на сайте «Пронедра» писали, что Вселенная внутри чёрной дыры: новая загадка от телескопа «Джеймс Уэбб»

https://pronedra.ru/kosmicheskaya-zagadka-vozmozhno-li-chto-nasha-vselennaya-nahoditsya-vnutri-chernoj-dyry-771037.html

Общественность взбудоражена, физики разводят руками, а философы со знанием дела кивают головами: мы-де предупреждали — что-то с этим миром не так.

Новые данные космического телескопа «Джеймс Уэбб» шокируют и бросают вызов современной космологии. То, что зафиксировал этот научный прибор, противоречит ожиданиям учёных, но поддерживает гипотезу, что наша Вселенная могла зародиться внутри чёрной дыры. Да и сейчас, собственно, в ней находится.

Вселенная оказалась неодинаковой

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (или попросту «Джеймс Уэбб») ведёт наблюдения с лета 2022 года. По сути, это орбитальная инфракрасная обсерватория нового поколения.

Результаты его недавних наблюдений вызвали бурные обсуждения в научном сообществе. Анализ данных показывает, что большинство галактик во Вселенной вращаются в одном направлении. Точнее, это утверждение касается 263 галактик на одном участке неба — именно их исследовал «Джеймс Уэбб».

Выяснилось, что около 60% галактик (158 из 263) вращаются по часовой стрелке, а остальные 40% (105 галактик) — против часовой. Вы спросите: ну и что? Да дело в том, что, по современным научным представлениям, Вселенная должна выглядеть одинаково во всех направлениях. Говоря языком науки, быть изотропной. Это значит, что количество галактик, вращающихся в разных направлениях, должно быть примерно одинаковым, 50 на 50. А телескоп зафиксировал, что галактик, вращающихся по часовой стрелке, больше.

Физик Лиор Шамир из Университета Канзаса опубликовал научную статью на эту тему. Он видит два возможных объяснения парадоксу. Одно из них состоит в том, что Вселенная родилась вращающейся, что хорошо согласуется с такой теорией, как космология чёрной дыры. Из неё следует, что вся Вселенная является внутренней частью чёрной дыры, которая, в свою очередь, находится в более крупной родительской Вселенной.

В чёрной дыре жизнь только начинается

Такая версия высказывалась и раньше, а некоторые учёные развивали теорию, предполагая, что каждая чёрная дыра может быть «вратами» в другую вселенную. Когда материя в этой дыре достигает критической плотности, она не сжимается (дальше уже некуда), а «отскакивает», подобно сжатой пружине, и начинает расширяться, но уже в другом, неведомом нам мире.

Это расширение — и есть Большой взрыв, который даёт начало новой вселенной. Таким образом, каждая чёрная дыра может порождать вселенную, которая остаётся невидимой для внешнего наблюдателя.

Второе объяснение наблюдаемой асимметрии вращения галактик может быть связано с тем, что Земля движется в космическом пространстве, и это движение влияет на то, как мы видим глубины космоса. Галактики, вращающиеся в определённом направлении, могут казаться ярче в инфракрасном диапазоне, что делает их более заметными для телескопа «Джеймс Уэбб». Это может создать иллюзию их преобладания во Вселенной.

Также учёные обращают внимание, что, несмотря на интригующие результаты, выборка из 263 галактик слишком мала, чтобы делать окончательные выводы. Необходимо вести дополнительные наблюдения на других участках неба, чтобы подтвердить или опровергнуть эту асимметрию.

«Вопрос о направлении вращения галактик обсуждается уже лет 40, — рассказал он. — За последние несколько лет вышел ряд публикаций, где говорится о превышении числа галактик, вращающихся в противоположную сторону по сравнению с нашей Галактикой. Все эти публикации принадлежат одному исследователю (иногда с соавторами) — Лиору Шамиру из Университета Канзаса. В публикациях других авторов на эту тему и по тем же данным эффект не обнаружен. Правда, это относится к старым данным, а по данным „Джеймса Уэбба“ никто, кроме Шамира, таких исследований не проводил.

Описываемый эффект довольно тонкий, а результат зависит от метода исследования, что связано со сложностью определения спирального узора на большинстве изображений галактик».

Сергей Пилипенко сомневается в достоверности сделанного подсчёта. Физик Лиор Шамир приводит изображения всех 263 галактик, на которых автоматический алгоритм смог выделить спиральный узор. Но по снимкам видно, что часть галактик следовало бы отнести не к спиральным, а к галактикам неправильной формы, но в таком случае предложенный алгоритм не способен определить направление их вращения.

Одного участка неба недостаточно

Кроме того, в исследовании не учтены некоторые физические эффекты, которые могут влиять на результат.

«Во-первых, галактики во Вселенной разбросаны не абы как — они образуют ячеистую крупномасштабную структуру, — продолжает Пилипенко. — Многие галактики расположены на плоских „листах“, которые также называют „блины Зельдовича“. Давно известно, что ориентация осей вращения галактик зависит от ориентации „блина“, в котором они находятся. Это значит, что направления вращения галактик, расположенных близко друг к другу, не являются полностью случайными».

Напомним, телескоп «Джеймс Уэбб» изучил очень небольшой участок неба, где галактики и впрямь находятся близко друг к другу.

Во-вторых, на наше восприятие глубин космоса может влиять так называемый эффект гравитационного линзирования. От Земли до галактик, изученных «Джеймсом Уэббом», в среднем десять миллиардов световых лет! Гигантское расстояние. Как морская вода искажает очертания предметов, лежащих на дне, так и вещество, находящееся между нами и этими галактиками, может отклонять траектории лучей света, выступая как линзы.

Сергей Пилипенко предлагает дождаться подтверждения выводов Лиора Шамира другими методами исследований. «Но даже если они подтвердятся, это вряд ли докажет, что наша Вселенная находится в чёрной дыре. Это будет лишь одна из гипотез», — уверен он.

https://aif.ru/society/science/strashnee-ne-byvaet-nasha-vselennaya-mozhet-nahoditsya-vnutri-chyornoy-dyry

В Астане прошёл казахстанско-российский форум по основам финбезопасности

Россия и Казахстан объединяют усилия для финансовой безопасности молодежи: итоги форма в Астане
Фото: правительство Оренбургской области

27 марта в Астане прошел казахстанско-российский форум, посвященный обучению школьников и студентов основам финансовой безопасности. Возглавил российскую делегацию директор Росфинмониторинга Юрий Чиханчин.

С российской стороны в форуме участвовали замруководителя секретариата вице-премьера РФ Дмитрия Чернышенко Наталья Паршикова, ректор Финансового университета Станислав Прокофьев, директор Физического института им. П.Н. Лебедева Николай Колачевский, ректор Сибирского федерального университета Максим Румянцев, проректор РУДН Михаил Кацарский, гендиректор Международного учебно-методического центра финмониторинга Иван Уваров и сотрудники Росфинмониторинга.

Казахстан представляли глава Агентства по финмониторингу Жанат Элиманов, министр науки и высшего образования Саясат Нурбек, ректоры университетов и другие специалисты. Среди выступавших были провост Университета КАЗГЮУ Сергей Пен и ректор Astana IT University Аскар Хикметов.

Юрий Чиханчин рассказал о давнем и успешном сотрудничестве России и Казахстана в борьбе с общими угрозами. Он упомянул совместные проекты, включая Международную олимпиаду по финансовой безопасности. По его словам, за пять лет число стран-участниц олимпиады выросло с 7 до почти 40. Он объяснил популярность мероприятия развитием информационных технологий и изменениями в мировой политике и экономике. Чиханчин добавил, что санкции против отдельных лиц и стран, а также адаптация преступных групп к новым условиям тоже повлияли на ситуацию.

Олимпиада помогает решать важные задачи. Она дает знания о финансовой безопасности и готовит специалистов для борьбы с отмыванием денег на международном уровне.

Жанат Элиманов отметил, что форум укрепит «пояс финбезопасности» в регионе. Он указал на рост финансовых преступлений и мошенничества как на главные угрозы. По его мнению, нужно защищать людей, особенно молодежь, от участия в незаконных операциях. Элиманов считает, что форум поможет обменяться опытом и найти новые решения.

На встрече обсудили подготовку кадров для борьбы с отмыванием денег, обучение молодежи финансовой грамотности, использование цифровизации и искусственного интеллекта в финансах, а также проекты Международного движения по финансовой безопасности.

https://www.kp.ru/online/news/6299214/