СМИ о нас

Группа учёных во главе с директором Дагестанского федерального исследовательского центра РАН Акаем Муртазаевым продолжит исследования микроволнового астроклимата в республике для оценки перспектив размещения субтерагерцового радиотелескопа. Очередная экспедиция проводится в рамках готовящейся академической программы развития субтерагерцовой астрономии.

Как сообщили «Дагестанской правде» в пресс-службе ДФИЦ РАН, учёные прибыли на двухмесячное дежурство в понедельник, 20 июня. В их числе научный сотрудник Специальной астрофизической обсерватории РАН Андрей Марухно. Помимо установки прибора он вместе с коллегами обследует окрестности площадки горы Маяк около села Гуниб Гунибского района, чтобы оценить её размеры и доступность, проблемы создания коммуникаций (доставка, энергетика, связь), а также измерить углы закрытия горизонта.

Помимо горы Маяк учёными из четырех академических учреждений, подведомственных Минобрнауки России: Дагестанского федерального исследовательского центра РАН, Специальной астрофизической обсерватории РАН (Карачаево-Черкесия), Астрокосмического центра ФИАН им. П. Лебедева (Москва) и Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород), были изучены площадки Шалбуздага (Мискинджа, Докузпаринский район) и села Чираг Агульского района.

– Целью этих экспедиций является натуральное изучение микроволнового астроклимата в наиболее перспективных условиях для закрытия инструментов субтерагерцового облучения точек горного Дагестана. В течение 8 лет учёными велись исследования микроволнового астроклимата в западной части Кавказа – в Карачаево-Черкесии и Кабардино-Балкарии, совершена экспедиция на вершину Эльбруса. Результаты исследований показывают, что геофизические и атмосферные условия для установки телескопа у нас лучше, – говорит руководитель экспедиции Акай Муртазаев.

Исследования проводятся в рамках крупного международного проекта и курируются Российской академией наук. В этой связи стоит напомнить о подписанном накануне на полях XXV Международного экономического форума в Санкт-Петербурге рамочном Соглашении о сотрудничестве между Дагестаном и Российской академией наук. Муртазаев уверен, что документ позволит более активно привлекать к реализации проекта республиканские министерства и ведомства, а также инвестиции в развитие научного потенциала Дагестана.

По его словам, измерения на намеченных площадках приносят очень хорошие результаты.

– Данных довольно много, – говорит Акай Курбанович. – Их детальная обработка – занятие нескорое, и её выполнят после окончания экспедиции. Но предварительно уже можно сказать, что с точки зрения установки инструментов субтерагерцового диапазона Восточный Кавказ намного перспективнее, чем Западный.

Автор: Ширвани Айгунов

http://dagpravda.ru/obshestvo/issledovaniya-prodolzhajutsya/

Мишенная камера и система диагностики лазерной плазмы

Международная группа ученых, в состав которой вошли специалисты из МФТИ, ОИВТ РАН и ФИ РАН, разработала новый подход к получению сверхинтенсивных источников нейтронов и гамма-излучения. Мощный лазер (с интенсивностью излучения ~1019 Вт/см2) взаимодействует с мишенью из легчайшей полимерной пены, формируя короткоимпульсный источник десятков миллиардов нейтронов и триллионов гамма-квантов. Полученное гамма-излучение интенсивнее, чем у ускорителей частиц площадью в несколько футбольных полей.

Такой источник может быть использован во многих областях исследований — от астрофизики до медицинских и биофизических приложений.

Сверхинтенсивные фотонные и нейтронные пучки являются незаменимыми инструментами для современной науки. Например, чтобы воспроизвести в лаборатории процессы, происходящие в далеком космосе, требуются потоки нейтронов, в которых через площадку в 1 см2 за секунду пролетает свыше секстиллиона (1021) частиц. Такие показатели недостижимы для существующих традиционных установок на основе ускорителей. Один из перспективных подходов, обсуждаемый в настоящее время, основан на применении сверхмощных лазеров.

Международная группа ученых разработала экспериментальную схему для генерации сверхинтенсивных гамма- и нейтронных пучков при умеренных релятивистских интенсивностях лазерного излучения с высокой надежностью и рекордными значениями потоков гамма-излучения и нейтронов. В  своем эксперименте ученые использовали лазер PHELIX (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion Experiments — петаваттный высокоэнергетический лазер для экспериментов с тяжелыми ионами). Его мощность (1015 Вт) примерно в тысячу раз больше, чем суммарная мощность электростанций во всем мире, правда, импульс длится всего триллионную часть секунды. Лазерное излучение воздействует двумя последовательными импульсами: первый, «предварительный» наносекундный импульс направляется в мишень из пены триацетата целлюлозы плотностью всего 2 мг/см3, в которой за счет ионизации атомов вещества генерируется однородная плазма. Второй, более мощный импульс пикосекундной длительности распространяется уже в созданной первым плазме, ускоряя электроны до высоких энергий. Полученная в результате этого процесса энергия электронов достигает сотни мегаэлектронвольт, что сравнимо со значениями, получаемыми на синхротронных ускорителях электронных пучков. 

Далее необходимо заставить электрон «сбросить» энергию, излучив фотон с длиной волны в десятитысячные доли нанометра (10-4 нм) — тот самый гамма-квант, ради которого все и затевалось. В данном эксперименте для торможения электронов была использована тонкая золотая пластинка. Таким образом исследователям удалось получить направленные пучки гамма-излучения, содержащие триллионы квантов. В эксперименте была достигнута рекордная эффективность преобразования (более 1,4%) лазерной энергии в гамма-излучение с энергией выше 10 МэВ. 

Установив поодаль от основной мишени слои металлических фольг (в эксперименте использовались золото, хром тантал и индий), исследователи зарегистрировали мощное нейтронное излучение — более 60 миллиардов частиц. Нейтроны высвобождаются в ходе фотоядерной реакции при поглощении ядром металла высокоэнергетического гамма-кванта. Эффективность преобразования лазерной энергии в нейтроны составила порядка 0,05%. 

Кроме того, причиной ядерной реакции могут стать протоны, которые также возможно ускорить с помощью лазерного излучения. В качестве источника протонов использовалась металлическая фольга, которую располагали на задней плоскости полимерной мишени. Ускоренные в полимерной мишени под воздействием лазера электроны покидали фольгу, формируя отрицательный заряд снаружи, при этом сама фольга заряжалась положительно. Возникшее между отрицательным и положительным зарядом электростатическое поле «вытягивает» из фольги протоны.

Интерес ученых к нейтронам обусловлен тем, что они не несут электрического заряда и поэтому могут проникать глубоко в атомы вещества. «Освещение» материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких элементов (водорода, кислорода и других), что почти невозможно с использованием рентгеновских и гамма-лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении белковых макромолекул, полимеров, микродефектов и микронеоднородностей в растворах и сплавах, в медицине и других областях. Астрофизики с помощью лабораторных источников нейтронного излучения могут проверить предположения о процессах, происходящих в недоступных для нас звездах.

В итоге относительно недорогая и компактная лазерная установка оказалась способна в некоторых аспектах заменить собой классический радиочастотный ускоритель электронов. Полученный импульсный источник направленного рентгеновского излучения и нейтронов может быть использован во многих областях исследований — в рентгенографических и материаловедческих,  в медицинских и биофизических приложениях (включая FLASH-радиотерапию), а также ядерных исследованиях.

«Эти исследования являются хорошим примером важности сотрудничества как экспериментаторов с теоретиками, так и ученых из разных стран, — отмечает Николай Андреев, руководитель лаборатории лазерной плазмы ОИВТ РАН, профессор кафедры физики высоких плотностей энергии МФТИ. — Новые, важные для развития фундаментальной и прикладной науки, рекордные результаты были получены с использованием полномасштабного численного моделирования при планировании и обработке результатов эксперимента, для чего потребовались самые современные вычислительные комплексы в России и Германии. Решающим элементом в экспериментах, которыми руководит выпускница Физтеха профессор Ольга Николаевна Розмей, являются уникальные мишени из пены, созданные в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН, в лаборатории термоядерных мишеней нейтронно-физического отдела, возглавляемого Натальей Глебовной Борисенко».

Работа опубликована в журнале Nature Communications.

https://open-dubna.ru/nauka/17499-rossijskie-uchenye-izobreli-kabinetnyj-sinkhrotron

«Если звезды зажигают — значит — это кому-нибудь нужно?» — писал классик. Безусловно, это нужно, ведь без звезд не было бы Вселенной и нас с вами. Но вот как их зажигают? Что за процессы там происходят? А как звезды умирают и что случается с ними потом? Зачем нам эти знания и почему надо запускать в космос сложные телескопы? Об этом рассказывает астрофизик Юрий Юрьевич Ковалев, главный научный сотрудник Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, руководитель лаборатории внегалактической радиоастрономии АКЦ ФИАН, руководитель лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов вселенной МФТИ, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН.

— Юрий Юрьевич, мы сидим на фоне замечательных макетов наших телескопов. Это «Радиоастрон», который, как известно, уже слетал и очень многое сделал, и «Миллиметрон», который еще пока не летал, но мы все надеемся, что будет запущен. «Радиоастрон» продолжает давать ученым пищу для размышлений, несмотря на то что программа вроде бы завершена. Какие последние научные данные заставили вас удивиться или обрадоваться?

— Наш замечательный спутник «Спектр-Р», на котором стоит космический телескоп проекта «Радиоастрон», продолжает летать. Он перестал давать научную информацию, но его космическая жизнь продолжается. Еще долгие годы он будет летать по своей вытянутой орбите вокруг Земли. Фактически эта орбита имеет размах, или, как мы говорим, апогей, в точке наибольшего удаления около 300–350 тыс. км. Это было принципиально важно. Это решение руководителя проекта Н.С. Кардашева, на котором он настаивал, а многие с ним спорили.

Зачем вообще запустили радиотелескоп в космос? Для того чтобы он смог улучшить возможности наземных телескопов по разрешению космических объектов в 30 раз, то есть четкость изображений, которые мы получаем, значительно выше по сравнению с наилучшими возможностями аналогичных наземных телескопов.

— И чем более вытянутая орбита, тем больше возможностей?

— Совершенно верно. Однако будет неправильно думать, что для нас важна только эта точка максимального удаления. В измерениях использовались и наземные телескопы, расположенные в разных странах мира: Европе, США, Африке, Австралии, Китае, Южной Корее, Японии. В том числе и российские. Это 30-метровые телескопы системы «Квазар» Института прикладной астрономии РАН, расположенные под Санкт-Петербургом, на Кавказе и рядом с озером Байкал. Это калязинский 64-метровый телескоп. Важно, что наблюдения ведутся совместной системой, как если бы у нас был виртуальный телескоп размером Земля — Луна.

Для того чтобы наилучшим образом «построить» такой гигантский виртуальный телескоп, нужно было проводить измерения большой системы не только в точке максимального удаления спутника, а по всей орбите, в зависимости от того, какие научные задачи мы решали и планировали вместе с научной группой как раз здесь, в Астрокосмическом центре.

— Что сейчас происходит в АКЦ ФИАН?

— Мы собрали несколько петабайт данных с наземных телескопов и с космического телескопа. Первый шаг — корреляция: когда мы производим результат, дающий возможность научным группам проводить анализ и решать научные задачи. Этот этап практически завершен.

На этом и на следующем этажах здания, в котором мы сейчас находимся, стоит небольшой суперкомпьютер, на котором работала группа коррелятора, созданного в Астрокосмическом центре. Примерно 90% данных, полученных с телескопа «Радиоастрон», были прокоррелированы нашим коррелятором в Астрокосмическом центре, и около 10% данных нам коррелировали зарубежные коллеги. Это центры, которые находятся в Германии и Нидерландах.

— Каковы последние результаты, о которых хотелось бы сказать?

— Давайте начнем с тематики, которой была посвящена диссертация, защищенная здесь у нас позавчера. Это тематика, связанная с изучением, казалось бы, такого «скучного» вопроса, как рассеяние распространения радиоволн через среду в нашей галактике. На самом деле это невероятно интересное явление, потому что, в первую очередь, что такое рассеяние? Когда какой-то объект скрыт от нас за облаком плазмы, он выглядит более крупным, чем есть на самом деле. Получается такая космическая «жаба». Анализируя эти данные, вы можете восстановить информацию о турбулентных облаках межзвездного газа, которые есть в нашей галактике.

— Но что это дает?

— «Радиоастрон» обнаружил по пульсарам новый эффект рассеяния, который оказался очень важным как раз для центра нашей галактики. Центр Галактики — мы подтвердили эти результаты и по наземным наблюдениям, и с «Радиоастроном» — очень сильно рассеивается, причем хитрым образом: на изображении объекта появляются мелкие пятнышки. Если вы хотите четко рассмотреть изображение центра нашей галактики, тени вокруг черной дыры, вам крайне необходимо учитывать эффекты рассеяния, которые открыл и исследовал «Радиоастрон».

— Какие еще имеются важные результаты?

— Расскажу о свежем результате, описание которого недавно отослано в научный журнал. Ученые получили и исследовали высокоточное изображение горячего выброса квазара 3С 279. Итак, что такое квазар? Это активная галактика на расстоянии миллиардов световых лет от Земли. В центре находится сверхмассивная черная дыра — не такая, как в центре нашей галактики, «скучная» и маленькая, а огромная. Масса таких черных дыр — миллиарды солнц. Вокруг них формируются диски из пыли, из вещества, которое падает на центральную черную дыру, и вся эта центральная машина вращается.

За счет своего вращения, магнитного поля, которое там формируется, вещество может ускоряться до скоростей, очень близких к скорости света. И мы на «Радиоастроне» пользуемся возможностью изучить свойства выбросов горячей, как мы ее называем, релятивистской плазмы, то есть газа, который летит с околосветовой скоростью.

«Радиоастрону» удалось восстановить внутреннюю структуру такого джета и исследовать, как плазма формируется и двигается по струе, как развиваются плазменные нестабильности и какова структура магнитного поля. Это крайне важно, потому что благодаря этому мы понимаем механизм ускорения частиц до скоростей света.

— Почему вам так интересно, как ускоряются частицы?

— Здесь я перекину мостик к другим свежим новостям. Это новости о нейтрино. Еще один важный результат «Радиоастрона» — открытие экстремальной яркости квазаров. Оказалось, что излучение центральных областей квазаров намного ярче, чем предсказывала теория и считали раньше ученые. «Радиоастрон» смог это увидеть именно благодаря построенному интерферометру размером до Луны.

— А вы считали, что это невозможно?

— Да, существует физический механизм быстрого охлаждения излучающих электронов, соответственно, яркость этих квазаров теоретически не может превысить предсказанный предел. А «Радиоастрон» показал, что этот предел нарушается.

— Каким образом?

— Одна из идей, которая нам раньше казалась маловероятной, заключается в том, что, может быть, центральные машины далеких активных галактик значительно эффективнее, чем нам говорят теоретики, и они могут ускорять до скоростей света не только электроны, но даже массивные протоны.

Вообще, почему мы носимся с этими электронами и протонами? Напоминаю, что масса протонов примерно в 1,8 тыс. раз больше, чем масса электронов. Попробуйте разогнать до световой скорости сначала электрон (это получилось), а потом что-то в 2 тыс. раз массивнее. Это реально очень сложно.

— По всей видимости, для этого нужна гигантская энергия?

— Совершенно верно. Для этого нужны гигантские поля. Считалось, что это не особенно реалистично.

А последние результаты, которые мы получаем вместе с коллегами, занятыми нейтринной астрономией, показывают, что все возможно. Напомню, что нейтрино высоких энергий на Земле ловят нейтринные телескопы. Это российский телескоп, стоящий в озере Байкал. И есть зарубежные, один находится в Средиземном море, а другой во льдах на Южном полюсе.

Вот наш свежий результат: похоже, нейтрино высоких энергий рождаются именно в тех самых квазарах, далеких активных галактиках, которые, по данным, полученным благодаря «Радиоастрону», могут быть экстремально яркими.

Почему это важно? Да потому что нейтрино такой энергии может появиться на свет только из протона, разогнанного до скорости света. Судя по всему, в далеких активных галактиках протоны действительно могут эффективно ускоряться. И это помогает решить проблему экстремальной яркости квазаров — открытие, которое сделал «Радиоастрон», — и одновременно ответить на вопрос о природе нейтрино: понять, где и как они образуются.

— Но наверняка есть и вопросы, на которые вы пока не можете найти ответов?

— Разумеется, и это как раз широкое поле деятельности на ближайшие годы для нас, астрофизиков. Это вопросы, как ускоряются в галактиках протоны и как рождаются нейтрино. Это то, чем мы будем заниматься вместе с коллегами с Байкала в ближайшие годы. У нас замечательная коллаборация.

И хотя я здесь рассказываю про «Радиоастрон», не могу не упомянуть еще об одном замечательном российском радиотелескопе, уже наземном, РАТАН-600. Мы его использовали совместно с «Радиоастроном» и ответили на вопрос, когда квазары могут быть наиболее яркими. А с другой стороны, мы обнаружили, что нейтрино предпочитают рождаться в момент вспышек в квазарах.

Здесь российские телескопы сошлись вместе и сделали сильное утверждение: квазары могут быть экстремально яркими, они могут ускорять протоны до скоростей света и рождать нейтрино очень высоких энергий.

Теперь осталось понять, как все это происходит, и тогда будет сделан очередной шаг за горизонт наших познаний о Вселенной, в которой мы живем. Очередной, но далеко не последний.

Беседовала Наталия Лескова
Фотограф Елена Либрик
Оператор Александр Козлов

https://scientificrussia.ru/articles/clen-korrespondent-ran-urij-kovalev-celovecestvo-dvizetsa-vglub-vselennoj

Золотая медаль имени Л.В. Келдыша присуждается российским учёным за выдающиеся работы в области физики конденсированного состояния.  2021 год стал первым годом присуждения этой награды. РАН учредила золотую медаль им. Л. В. Келдыша в декабре 2019 года с целью увековечения памяти выдающегося учёного и организатора науки академика Российской академии наук Леонида Келдыша.

Президиум РАН впервые присудил золотую медаль имени Л.В. Келдыша главному научному сотруднику Института физики твердого тела РАН академику Владиславу Тимофееву. Учёный отмечен за выдающиеся работы по физике многочастичных систем в твердых телах. 2 июня 2022 года в Российской академии наук Владиславу Борисовичу вручили заслуженную награду.

Академик В.Б. Тимофеев - российский физик-экспериментатор, работы которого в области физики полупроводников и твердого тела широко известны и получили мировое признание. Его работы заложили оcновы нового направления - магнитооптики низкоразмерных электронных систем в ультраквантовом пределе. Тимофеев заложил основы термодинамики неравновесных электронно-дырочных систем в полупроводниках.

Леонид Вениаминович Келдыш - выдающийся специалист в области физики твёрдого тела. Основные научные труды учёного посвящены квантовой теории систем многих частиц, физике твердого тела, а также физике полупроводников, квантовой радиофизике. С 1989 до 1993 года Леонид Вениаминович был директором Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Источник: ФИАН

https://www.atomic-energy.ru/news/2022/06/22/125743

Золотая медаль имени Л.В. Келдыша присуждается российским учёным за выдающиеся работы в области физики конденсированного состояния. 2021 год стал первым годом присуждения этой награды. РАН учредила золотую медаль им. Л.В. Келдыша в декабре 2019 года с целью увековечения памяти выдающегося учёного и организатора науки академика Российской академии наук Леонида Келдыша.

Президиум РАН впервые присудил золотую медаль имени Л.В. Келдыша главному научному сотруднику Института физики твердого тела РАН академику Владиславу Тимофееву. Учёный отмечен за выдающиеся работы по физике многочастичных систем в твердых телах. 2 июня 2022 года в Российской академии наук Владиславу Борисовичу вручили заслуженную награду.

Академик В.Б. Тимофеев - российский физик-экспериментатор, работы которого в области физики полупроводников и твердого тела широко известны и получили мировое признание. Его работы заложили оcновы нового направления – магнитооптики низкоразмерных электронных систем в ультраквантовом пределе. Тимофеев заложил основы термодинамики неравновесных электронно-дырочных систем в полупроводниках.

Леонид Вениаминович Келдыш - выдающийся специалист в области физики твёрдого тела. Основные научные труды учёного посвящены квантовой теории систем многих частиц, физике твердого тела, а также физике полупроводников, квантовой радиофизике. С 1989 до 1993 года Леонид Вениаминович был директором Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Информация и фото предоставлены отделом по связям с общественностью ФИАН
Разместила Ирина Усик

https://scientificrussia.ru/articles/v-ran-vrucili-pervuu-zolotuu-medal-im-lv-keldysa

Фотография мишенной камеры и системы диагностики лазерной плазмы, МФТИ

Международная группа ученых, в состав которой вошли специалисты из Московского физико-технического института, Объединенного института высоких температур РАН и Физического института РАН, разработала новый подход к получению сверхинтенсивных источников нейтронов и гамма-излучения. Мощный лазер (с интенсивностью излучения ~10¹⁹ Вт/см²) взаимодействует с мишенью из легчайшей полимерной пены, формируя короткоимпульсный источник десятков миллиардов нейтронов и триллионов гамма-квантов. Полученное гамма-излучение интенсивнее, чем у ускорителей частиц площадью в несколько футбольных полей. Такой источник может быть использован во многих областях исследований — от астрофизики до медицинских и биофизических приложений. Об открытии сообщает пресс-служба МФТИ.

Сверхинтенсивные фотонные и нейтронные пучки являются незаменимыми инструментами для современной науки. Например, чтобы воспроизвести в лаборатории процессы, происходящие в далеком космосе, требуются потоки нейтронов, в которых через площадку в 1 см² за секунду пролетает свыше секстиллиона (10²¹) частиц. Такие показатели недостижимы для существующих традиционных установок на основе ускорителей. Один из перспективных подходов, обсуждаемый в настоящее время, основан на применении сверхмощных лазеров.

Международная группа ученых разработала экспериментальную схему для генерации сверхинтенсивных гамма- и нейтронных пучков при умеренных релятивистских интенсивностях лазерного излучения с высокой надежностью и рекордными значениями потоков гамма-излучения и нейтронов. В  своем эксперименте ученые использовали лазер PHELIX (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion Experiments — петаваттный высокоэнергетический лазер для экспериментов с тяжелыми ионами). Его мощность (1015 Вт) примерно в тысячу раз больше, чем суммарная мощность электростанций во всем мире, правда, импульс длится всего триллионную часть секунды. Лазерное излучение воздействует двумя последовательными импульсами: первый, «предварительный», наносекундный импульс направляется в мишень из пены триацетата целлюлозы плотностью всего 2 мг/см³, в которой за счет ионизации атомов вещества генерируется однородная плазма. Второй, более мощный, импульс пикосекундной длительности распространяется уже в созданной первым плазме, ускоряя электроны до высоких энергий. Полученная в результате этого процесса энергия электронов достигает сотни мегаэлектронвольт, что сравнимо со значениями, получаемыми на синхротронных ускорителях электронных пучков.  

Далее необходимо заставить электрон «сбросить» энергию, излучив фотон с длиной волны в десятитысячные доли нанометра (10^-4 нм) — тот самый гамма-квант, ради которого всё и затевалось. В данном эксперименте для торможения электронов была использована тонкая золотая пластинка. Таким образом исследователям удалось получить направленные пучки гамма-излучения, содержащие триллионы квантов. В эксперименте была достигнута рекордная эффективность преобразования (более 1,4 %) лазерной энергии в гамма-излучение с энергией выше 10 МэВ.  

Установив поодаль от основной мишени слои металлических фольг (в эксперименте использовались золото, хром тантал и индий), исследователи зарегистрировали мощное нейтронное излучение — более 60 миллиардов частиц. Нейтроны высвобождаются в ходе фотоядерной реакции при поглощении ядром металла высокоэнергетического гамма-кванта. Эффективность преобразования лазерной энергии в нейтроны составила порядка 0,05 %.  

Кроме того, причиной ядерной реакции могут стать протоны, которые также возможно ускорить с помощью лазерного излучения. В качестве источника протонов использовалась металлическая фольга, которую располагали на задней плоскости полимерной мишени. Ускоренные в полимерной мишени под воздействием лазера электроны покидали фольгу, формируя отрицательный заряд снаружи, при этом сама фольга заряжалась положительно. Возникшее между отрицательным и положительным зарядом электростатическое поле «вытягивает» из фольги протоны. 

Интерес ученых к нейтронам обусловлен тем, что они не несут электрического заряда и поэтому могут проникать глубоко в атомы вещества. «Освещение» материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких элементов (водорода, кислорода и других), что почти невозможно с использованием рентгеновских и гамма-лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении белковых макромолекул, полимеров, микродефектов и микронеоднородностей в растворах и сплавах, в медицине и других областях. Астрофизики с помощью лабораторных источников нейтронного излучения могут проверить предположения о процессах, происходящих в недоступных для нас звездах. 

В итоге относительно недорогая и компактная лазерная установка оказалась способна в некоторых аспектах заменить собой классический радиочастотный ускоритель электронов. Полученный импульсный источник направленного рентгеновского излучения и нейтронов может быть использован во многих областях исследований — в рентгенографических и материаловедческих,  в медицинских и биофизических приложениях (включая FLASH-радиотерапию), а также ядерных исследованиях.

Работа опубликована в журнале Nature Communications

https://polit.ru/news/2022/06/22/ps_mipt/

Фото: pxhere.com

Международная команда ученых, работающих в МФТИ, Объединенном институте высоких температур РАН и Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, представила новую разработку в виде компактного ускорителя частиц. Хотя аппарат легко поместить в кабинете, он гораздо мощнее даже крупных синхротронов.

Как рассказал журнал Nature Communications, устройство можно использовать как источник нейтронов и гамма-квантов. Сейчас многие отрасли науки используют пучки таких частиц высокой интенсивности. Подобные лучи помогают в исследованиях биомолекул и полимеров, могут применяться в медицине, например, во FLASH-радиотерапии.

Однако классический ускоритель частиц, даже площадью в несколько футбольных полей, зачастую не может достичь требуемых скоростей. На сей раз исследователи обратились к помощи лазера. Они применили высокоэнергетический лазер PHELIX, предназначенный для работы с тяжелыми ионами.

Установка показала рекорд эффективности – в ходе экспериментов ученым удалось получить более 60 млрд нейтронов. Особенностью аппарата являются компактность и низкая себестоимость.

Автор: Илон Смирнов

https://www.marpravda.ru/news/tekhnologii/nature-communications-uchenye-ran-razrabotali-kompaktnyy-i-moshchnyy-sinkhrotron-/

Фото: пресс-служба МФТИ

Международная исследовательская группа, в которую вошли ученые из МФТИ, Объединенного института высоких температур РАН и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, разработала компактный ускоритель частиц, который может быть источником нейтронов и гамма-квантов. Хотя это устройство легко помещается в кабинете, по мощности оно превосходит даже крупные синхротроны. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

В настоящее время во многих отраслях науки используются фотонные и нейтронные пучки высокой интенсивности. Нейтронные пучки помогают в структурных исследованиях биомолекул и полимеров. Направленные пучки частиц также могут применяться в медицине, например в FLASH-радиотерапии. Для астрономов и астрофизиков способность генерирования нейтронных пучков тоже незаменима, поскольку это позволило бы моделировать условия в космосе, где за секунду площадку площадью 1 см² может пересечь 1021 (секстиллион) частиц. Классические ускорители частиц, даже занимая площадь в несколько футбольных полей, не могут достичь тех же значений. Поэтому сейчас ученые обращаются к использованию лазеров.

Исследователи использовали высокоэнергетический лазер PHELIX, который предназначен для работы с тяжелыми ионами. Он является петаваттным, то есть он способен генерировать излучение мощностью 10¹⁵ Вт. Это на три порядка превышает мощность всех электростанций в мире, но данный лазер генерирует только краткосрочные импульсы, которые длятся одну пикосекунду (10^-12 с). Чтобы эта установка могла генерировать нейтроны и гамма-кванты, лазер в течение наносекунды действует на мишень из мягкого полимера — триацетата целлюлозы. В результате этого атомы вещества ионизируются и образуется плазма. После этого подается еще один, более мощный и краткий, пикосекундный импульс, разгоняющий электроны плазмы до высоких энергий. Для торможения электронов в эксперименте использовались металлические фольги из золота, хрома, тантала и индия. Эффективнее всего оказалась золотая фольга. При столкновении электронов с фольгой они избавлялись от избытка энергии, излучали фотон в форме гамма-излучения, а также являлись источником нейтронов, что было связано с протеканием ядерной реакции.

Установка показала рекордные значения эффективности преобразования лазерного излучения в гамма-кванты с энергией выше 10 МэВ — более 1,4%. Эффективность преобразования излучения в нейтроны составила 0,05%, и в ходе экспериментов ученым удалось получить более 60 млрд этих частиц.

Особенностью этой установки стала ее компактность и низкая себестоимость, поэтому ее можно поместить прямо в кабинете. При этом она может генерировать гамма-излучение высокой интенсивности, превосходя крупные, масштабные синхротроны.

Автор: Елизавета Перепелица

https://inscience.news/ru/article/russian-science/9880

Международная группа ученых, в состав которой вошли специалисты из МФТИ, ОИВТ РАН и ФИ РАН, разработала новый подход к получению сверхинтенсивных источников нейтронов и гамма-излучения. Мощный лазер (с интенсивностью излучения ~1019 Вт/см2) взаимодействует с мишенью из легчайшей полимерной пены, формируя короткоимпульсный источник десятков миллиардов нейтронов и триллионов гамма-квантов. Полученное гамма-излучение интенсивнее, чем у ускорителей частиц площадью в несколько футбольных полей. Такой источник может быть использован во многих областях исследований — от астрофизики до медицинских и биофизических приложений. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Сверхинтенсивные фотонные и нейтронные пучки являются незаменимыми инструментами для современной науки. Например, чтобы воспроизвести в лаборатории процессы, происходящие в далеком космосе, требуются потоки нейтронов, в которых через площадку в 1 см2 за секунду пролетает свыше секстиллиона (1021) частиц. Такие показатели недостижимы для существующих традиционных установок на основе ускорителей. Один из перспективных подходов, обсуждаемый в настоящее время, основан на применении сверхмощных лазеров.

Международная группа ученых разработала экспериментальную схему для генерации сверхинтенсивных гамма- и нейтронных пучков при умеренных релятивистских интенсивностях лазерного излучения с высокой надежностью и рекордными значениями потоков гамма-излучения и нейтронов. В  своем эксперименте ученые использовали лазер PHELIX (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion Experiments — петаваттный высокоэнергетический лазер для экспериментов с тяжелыми ионами). Его мощность (1015 Вт) примерно в тысячу раз больше, чем суммарная мощность электростанций во всем мире, правда, импульс длится всего триллионную часть секунды. Лазерное излучение воздействует двумя последовательными импульсами: первый, «предварительный» наносекундный импульс направляется в мишень из пены триацетата целлюлозы плотностью всего 2 мг/см3, в которой за счет ионизации атомов вещества генерируется однородная плазма. Второй, более мощный импульс пикосекундной длительности распространяется уже в созданной первым плазме, ускоряя электроны до высоких энергий. Полученная в результате этого процесса энергия электронов достигает сотни мегаэлектронвольт, что сравнимо со значениями, получаемыми на синхротронных ускорителях электронных пучков.  

Далее необходимо заставить электрон «сбросить» энергию, излучив фотон с длиной волны в десятитысячные доли нанометра (10-4 нм) — тот самый гамма-квант, ради которого все и затевалось. В данном эксперименте для торможения электронов была использована тонкая золотая пластинка. Таким образом исследователям удалось получить направленные пучки гамма-излучения, содержащие триллионы квантов. В эксперименте была достигнута рекордная эффективность преобразования (более 1,4%) лазерной энергии в гамма-излучение с энергией выше 10 МэВ.  

Установив поодаль от основной мишени слои металлических фольг (в эксперименте использовались золото, хром тантал и индий), исследователи зарегистрировали мощное нейтронное излучение — более 60 миллиардов частиц. Нейтроны высвобождаются в ходе фотоядерной реакции при поглощении ядром металла высокоэнергетического гамма-кванта. Эффективность преобразования лазерной энергии в нейтроны составила порядка 0,05%.  

Кроме того, причиной ядерной реакции могут стать протоны, которые также возможно ускорить с помощью лазерного излучения. В качестве источника протонов использовалась металлическая фольга, которую располагали на задней плоскости полимерной мишени. Ускоренные в полимерной мишени под воздействием лазера электроны покидали фольгу, формируя отрицательный заряд снаружи, при этом сама фольга заряжалась положительно. Возникшее между отрицательным и положительным зарядом электростатическое поле «вытягивает» из фольги протоны. 

Интерес ученых к нейтронам обусловлен тем, что они не несут электрического заряда и поэтому могут проникать глубоко в атомы вещества. «Освещение» материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких элементов (водорода, кислорода и других), что почти невозможно с использованием рентгеновских и гамма-лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении белковых макромолекул, полимеров, микродефектов и микронеоднородностей в растворах и сплавах, в медицине и других областях. Астрофизики с помощью лабораторных источников нейтронного излучения могут проверить предположения о процессах, происходящих в недоступных для нас звездах. 

В итоге относительно недорогая и компактная лазерная установка оказалась способна в некоторых аспектах заменить собой классический радиочастотный ускоритель электронов. Полученный импульсный источник направленного рентгеновского излучения и нейтронов может быть использован во многих областях исследований — в рентгенографических и материаловедческих,  в медицинских и биофизических приложениях (включая FLASH-радиотерапию), а также ядерных исследованиях.

Фото. Слева — исследовательский коллектив в экспериментальном зале лазера PHELIX в GSI (Германия, Дармштадт), справа — пример рентгенографического изображения тестового объекта (часы), в центре — фотография мишенной камеры и системы диагностики лазерной плазмы. 

«Эти исследования являются хорошим примером важности сотрудничества как экспериментаторов с теоретиками, так и ученых из разных стран, — отмечает Николай Андреев, руководитель лаборатории лазерной плазмы ОИВТ РАН, профессор кафедры физики высоких плотностей энергии МФТИ. — Новые, важные для развития фундаментальной и прикладной науки, рекордные результаты были получены с использованием полномасштабного численного моделирования при планировании и обработке результатов эксперимента, для чего потребовались самые современные вычислительные комплексы в России и Германии. Решающим элементом в экспериментах, которыми руководит выпускница Физтеха профессор Ольга Николаевна Розмей, являются уникальные мишени из пены, созданные в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН, в лаборатории термоядерных мишеней нейтронно-физического отдела, возглавляемого Натальей Глебовной Борисенко».

Пресс-служба МФТИ

https://poisknews.ru/themes/tehno/sinhrotron-v-kabinete-nature-communications-o-novom-podhode-k-polucheniyu-sverhintensivnyh-istochnikov-nejtronov-i-gamma-izlucheniya/

Международная группа ученых, в состав которой вошли специалисты из МФТИ, ОИВТ РАН и ФИ РАН, разработала новый подход к получению сверхинтенсивных источников нейтронов и гамма-излучения. Мощный поток взаимодействует с мишенью из легчайшей полимерной пены, формируя короткоимпульсный источник десятков миллиардов нейтронов и триллионов гамма-квантов. Полученное гамма-излучение интенсивнее, чем у ускорителей частиц площадью в несколько футбольных полей. Такой источник может быть использован во многих областях исследований — от астрофизики до медицинских и биофизических приложений.

Мишенная камера и система диагностики лазерной плазмы / ©Пресс-служба МФТИ

Работа опубликована в журнале Nature Communications. Сверхинтенсивные фотонные и нейтронные пучки — это незаменимые инструменты для современной науки. Например, чтобы воспроизвести в лаборатории процессы, происходящие в далеком космосе, требуются потоки нейтронов, в которых через площадку в один квадратный сантиметр за секунду пролетает свыше секстиллиона (1021) частиц. Такие показатели недостижимы для существующих традиционных установок на основе ускорителей. Один из перспективных подходов, обсуждаемый в настоящее время, основан на применении сверхмощных лазеров.

Международная группа ученых разработала экспериментальную схему для генерации сверхинтенсивных гамма- и нейтронных пучков при умеренных релятивистских интенсивностях лазерного излучения с высокой надежностью и рекордными значениями потоков гамма-излучения и нейтронов. В своем эксперименте ученые использовали лазер PHELIX (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion Experiments — петаваттный высокоэнергетический лазер для экспериментов с тяжелыми ионами). Его мощность (10¹⁵ Вт) примерно в тысячу раз больше, чем суммарная мощность электростанций во всем мире, правда, импульс длится всего триллионную часть секунды.

Лазерное излучение воздействует двумя последовательными импульсами: первый, «предварительный» наносекундный импульс направляется в мишень из пены триацетата целлюлозы плотностью всего два мг/см³, в которой за счет ионизации атомов вещества генерируется однородная плазма. Второй, более мощный импульс пикосекундной длительности распространяется уже в созданной первым плазме, ускоряя электроны до высоких энергий. Полученная в результате этого процесса энергия электронов достигает сотни мегаэлектронвольт, что сравнимо со значениями, получаемыми на синхротронных ускорителях электронных пучков.

Далее необходимо заставить электрон «сбросить» энергию, излучив фотон с длиной волны в десятитысячные доли нанометра (10^-4 нм) — тот самый гамма-квант, ради которого все и затевалось. В этом эксперименте для торможения электронов была использована тонкая золотая пластинка. Таким образом исследователям удалось получить направленные пучки гамма-излучения, содержащие триллионы квантов. В эксперименте была достигнута рекордная эффективность преобразования (более 1,4 процентов) лазерной энергии в гамма-излучение с энергией выше 10 МэВ.

Исследовательский коллектив в экспериментальном зале лазера PHELIX в GSI (Германия, Дармштадт) / ©Пресс-служба МФТИ

Установив поодаль от основной мишени слои металлической фольги (в эксперименте использовались золото, хром тантал и индий), исследователи зарегистрировали мощное нейтронное излучение — более 60 миллиардов частиц. Нейтроны высвобождаются в ходе фотоядерной реакции при поглощении ядром металла высокоэнергетического гамма-кванта. Эффективность преобразования лазерной энергии в нейтроны составила порядка 0,05 процентов.

Кроме того, причиной ядерной реакции могут стать протоны, которые также возможно ускорить с помощью лазерного излучения. В качестве источника протонов использовалась металлическая фольга, которую располагали на задней плоскости полимерной мишени. Ускоренные в полимерной мишени под воздействием лазера электроны покидали фольгу, формируя отрицательный заряд снаружи, при этом сама фольга заряжалась положительно. Возникшее между отрицательным и положительным зарядом электростатическое поле «вытягивает» из фольги протоны.

Интерес ученых к нейтронам обусловлен тем, что они не несут электрического заряда и поэтому могут проникать глубоко в атомы вещества. «Освещение» материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких элементов (водорода, кислорода и других), что почти невозможно с использованием рентгеновских и гамма-лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении белковых макромолекул, полимеров, микродефектов и микронеоднородностей в растворах и сплавах, в медицине и других областях. Астрофизики с помощью лабораторных источников нейтронного излучения могут проверить предположения о процессах, происходящих в недоступных для нас звездах.

В итоге относительно недорогая и компактная лазерная установка оказалась способна в некоторых аспектах заменить собой классический радиочастотный ускоритель электронов. Полученный импульсный источник направленного рентгеновского излучения и нейтронов может быть использован во многих областях исследований — в рентгенографических и материаловедческих, в медицинских и биофизических приложениях (включая FLASH-радиотерапию), а также ядерных исследованиях.

Пример рентгенографического изображения тестового объекта (часы) / ©Пресс-служба МФТИ

«Эти исследования являются хорошим примером важности сотрудничества как экспериментаторов с теоретиками, так и ученых из разных стран, — отмечает Николай Андреев, руководитель лаборатории лазерной плазмы ОИВТ РАН, профессор кафедры физики высоких плотностей энергии МФТИ.

— Новые, важные для развития фундаментальной и прикладной науки, рекордные результаты были получены с использованием полномасштабного численного моделирования при планировании и обработке результатов эксперимента, для чего потребовались самые современные вычислительные комплексы в России и Германии. Решающим элементом в экспериментах, которыми руководит выпускница Физтеха профессор Ольга Николаевна Розмей, являются уникальные мишени из пены, созданные в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН, в лаборатории термоядерных мишеней нейтронно-физического отдела, возглавляемого Натальей Глебовной Борисенко».

https://naked-science.ru/article/column/razrabotan-novyj-podhod-k-polucheniyu