Один из ведущих мировых центров в ряде областей физики элементарных частиц и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза — Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера Сибирского отделения РАН — представил на недавнем заседании Президиума РАН свои новые разработки с использованием лазеров на свободных электронах (ЛСЭ).
Выступивший с докладом заведующий лабораторией ИЯФ член-корреспондент РАН Николай Винокуров рассказал о том, что сегодня в институте работают два мощных ЛСЭ терагерцового и дальнего инфракрасного диапазонов, строится третий ЛСЭ. Первый лазер был запущен в 2003 году, второй, с появлением которого значительно расширился спектр мультидисциплинарных исследований, проводимых в Сибирском центре фотохимических исследований СО РАН, — в 2009-м. Третья установка находится в процессе запуска.
Главным отличием ЛСЭ от других типов источников электромагнитного излучения является возможность получения мощного когерентного излучения на любой длине волны от 0,1 нм до
1 мм с возможностью непрерывной перестройки длины волны. В последние годы возник большой интерес к терагерцевому, или субмиллиметровому, излучению, потому что оно обладает уникальными возможностями. Терагерцевое излучение — это вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Оно хорошо проходит мутные среды и мелкодисперсные материалы. В диапазоне энергий фотонов терагерцевого излучения (порядка 0,001-0,01 эВ) находятся энергетические щели сверхпроводников. Эта энергия настолько мала, что не разрушает биологические макромолекулы. В силу этих свойств такие лазеры интересуют и физиков, и химиков, и биологов.
По средней мощности излучения (0,5 кВт) новосибирские установки значительно превосходят зарубежные аналоги в своем диапазоне длин волн (40-240 микрон). КПД лазеров на свободных электронах довольно низок (около 1%), поэтому в мощных ЛСЭ необходимо применять рекуперацию энергии (возвращение части энергии для повторного использования) отработанного электронного пучка. Этот принцип с успехом используется в терагерцевом ЛСЭ, который работает в Новосибирске. Рекуперация снижает радиационную опасность установки и дает возможность повысить средний ток электронного пучка.
Рекордные параметры излучения лазеров позволяют использовать их для проведения уникальных исследований по физике, химии и биологии. В ИЯФ при участии Института химической кинетики и горения СО РАН (ИХКиГ) создан центр коллективного пользования — Сибирский центр фотохимических исследований. Излучение ЛСЭ выводится на пользовательские станции (рабочие места). В 2014 году ЛСЭ служили пользователям около тысячи часов. Работы с излучением выполняют на шести рабочих станциях двадцать групп из двенадцати научных организаций Новосибирска, Москвы и Южной Кореи.
По словам Николая Винокурова, одним из перспективных технологических применений ЛСЭ является рентгенолитографическое производство интегральных микросхем (рентгеновская литография — метод микроэлектронной технологии, заключающийся в формировании с субмикронным разрешением защитной маски заданного профиля на поверхности материала). Исследования по разработке и созданию мощного ЛСЭ для производства интегральных микросхем методом рентгеновской литографии предложены институтом для включения в состав Государственной программы “Развитие промышленности и повышение конкурентоспособности”.
Николай Александрович подробно остановился на экспериментах с использованием излучения Новосибирского ЛСЭ, проведенных в 2012-2014 годах. Это исследования поверхностных волн (Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, Российский университет дружбы народов), возбуждения ультразвука в жидкостях (ИХКиГ), пламени и газовой детонации (ИХКиГ и Институт гидродинамики СО РАН), применения методов акустооптики для отклонения пучка монохроматического терагерцового излучения (Московский госуниверситет), эллипсометрии (Институт физики полупроводников СО РАН), магнитооптики (Институт физики СО РАН), дифракционных оптических элементов (Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, Институт систем обработки изображений РАН, Самарский государственный аэрокосмический университет, компания ТИДЕКС) и детекторов излучения (ИФП СО РАН, компания Vieworks (Ю.Корея)). Излучение Новосибирского ЛСЭ применяется в быстрой спектроскопии с временным разрешением (ИХКиГ) и в биологических и медицинских экспериментах (Институт цитологии и генетики СО РАН, НИИ терапии, НИИ молекулярной биологии и биофизики).
С помощью созданного в ИЯФ ЛСЭ в ИХКиГ и ИЦиГ СО РАН изучены свойства мягкой неразрушающей абляции под действием терагерцевого излучения. Абляция (процесс уноса вещества с поверхности твердого тела под воздействием излучений и обтекающего потока горячего газа) позволяет испарять биологические макромолекулы с поверхности твердого образца, не разрушая их. В последнее время метод мягкой неразрушающей абляции на базе ЛСЭ нашел применение для анализа структуры биочипов — пластинок, несущих на своей поверхности ДНК-пробы. Еще одно применение метода мягкой неразрушающей абляции — экспресс-измерение размеров наночастиц, что важно и при производстве наноматериалов.
На специально оборудованной биологической станции производятся модельные эксперименты с биомакромолекулами и живыми объектами. Николай Винокуров упомянул о том, что разработки ИЯФ помогли сотрудникам Лимнологического института СО РАН при расшифровке генома байкальской диатомеи Synedra acus. А вот к возможности использования лазеров для “звездных войн” ученый отнесся весьма скептически.
Академик Александр Скринский в ходе обсуждения доклада сказал о применении ЛСЭ следующее: “Это — перспективное направление развития, которое будет использоваться в самых разнообразных областях”. А директор Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения академик Геннадий Кулипанов остановился на вопросах поиска перспективного использования компактных ЛСЭ. Он предложил Президиуму РАН провести специальное заседание на тему литографии и “рассмотреть вопрос с разных сторон”. С ним согласился директор Института космических исследований РАН академик Лев Зеленый: “У рентгеновской литографии большое будущее”.
По мнению академика Александра Асеева, директора Института физики полупроводников им. А.В.Ржанова СО РАН, Академия наук “может гордиться” ЛСЭ, “этот источник — совершенно уникален”. Он отметил, что визуализацию субмиллиметрового излучения высоко оценили в ФСБ. Академик также предложил ознакомить с результатами разработок института Минобрнауки и ФАНО.
В заключение президент РАН Владимир Фортов поддержал идею провести серию семинаров на тему доклада и отправить подготовленный проект “наверх”.
Андрей СУББОТИН
Фото с сайта ИЯФ РАН
Нет комментариев