ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Получение результатов в этих областях науки невозможно без больших, требующих постоянного обновления установок и крупных затрат на энергетику и материалы. Поэтому в Отделении институты физико-технического профиля более других насыщены крупными установками, многие из которых являются национальным достоянием.

Естественно, что при случившемся системном кризисе в стране и резком падении объемов бюджетного финансирования на науку, институты этого профиля испытали наибольшие трудности. Главнейшими из них являются: проблемы содержания обсерваторий и выносных стационаров, многократное повышение стоимости энергоресурсов, быстрое физическое и моральное старение измерительной аппаратуры и другой оснастки крупных установок, практическая невозможность строительства принципиально новых установок, параметры которых превышают мировые показатели.

В некоторых институтах из-за оттока молодых квалифицированных кадров и невозможности их пополнения идет резкое старение кадров. Только четыре из 10 институтов этого профиля относительно благополучны по количеству молодежи, а два — Институт космофизики и аэрономии в Якутске и Солнечно-земной физики в Иркутске — по этому параметру находятся в критическом состоянии (рис. 10а).

Вместе с тем, большинство научных коллективов и руководство институтов, проявив чудеса изобретательности и грамотно использовав имеющийся научный задел, достаточно быстро адаптировались к новым условиям и частично компенсировали потерю бюджетного финансирования средствами из других отечественных и зарубежных источников. Для большинства институтов этого профиля соотношение заработанных средств и бюджетного финансирования 50:50, 60:40 и даже 75:25 является нормой. Это позволило институтам все эти трудные годы сохранять высокую творческую активность и получать результаты, которые не стыдно предъявлять мировому научному сообществу (рис. 10б). Подавляющее большинство институтов Отделения этого профиля широко известны в мире и пользуются высоким авторитетом, что подтверждается заключением крупных контрактов с зарубежными фирмами и лабораториями. Различия институтов в количестве публикаций и индексах цитирования отражают, в основном, характер долгосрочных и трудоемких экспериментов, в одних случаях, и менее затратный - теоретический, в других.

Физики Отделения проводят исследования в широком спектре проблем. В Институте солнечно-земной физики разработана самосогласованная нелинейная модель глобальной циркуляции Солнца, которая учитывает взаимное влияние магнитного поля и дифференциального вращения. На основе этой модели рассмотрена эволюция внутреннего вращения Солнца за время его жизни на главной последовательности звезд. Модель учитывает потерю углового момента на солнечный ветер, возбуждение дифференциального вращения и меридиональной циркуляции в конвективной оболочке, а также эффекты реликтового магнитного поля, сосредоточенного в лучистом ядре. Модель воспроизводит уменьшение скорости вращения приблизительно в 10 раз за 4,6 млрд лет.

     Рис. 11.

Результаты модельных расчетов согласуются с современными данными гелиосейсмологии о внутреннем вращении Солнца: неоднородное по широте вращение в конвективной оболочке, тонкий переходный слой и практически однородное вращение в более глубоких слоях (рис. 11).

В Институте космофизики и аэрономии выполнены исследования самосогласованного процесса ускорения ионов и генерации альвеновских волн межпланетными ударными волнами.

Для явлений вблизи околоземной волны проведено сопоставление результатов численных расчетов с экспериментальными данными, которое показало, что статистические закономерности наблюдаемых спектров энергичных ионов и альвеновских волн, а также их пространственные распределения, удовлетворительно воспроизводятся теорией регулярного ускорения. Сделан вывод о том, что условиям эксперимента отвечает неустановившийся процесс регулярного ускорения, типичное время развития которого составляет ~ 103 с и обусловлено временем соединения силовой магнитной трубки с фронтом ударной волны (рис. 12).

Рис. 12. Спектр альвеновских волн вблизи головной ударной волны. Эсперимент (штрихпунктир) - результаты измерений, выполненных на космическом аппарате OGO 5 (Childers and Russell, NASA Spec. Publ., 1972, V. 308, P. 375). Сплошная кривая - теоретический расчет.

Для явлений вблизи фронтов бегущих ударных волн выполненные расчеты показали, что характер самосогласованных спектров ускоренных частиц и альвеновских волн определяется не только текущими параметрами системы, но существенно зависит также от ее предыстории. При падающем с гелиоцентрическим расстоянием темпе инжекции надтепловых частиц в режим ускорения и/или эффективной генерации альвеновских волн реализуются немонотонные энергетические спектры и их пространственные распределения. Теория удовлетворительно воспроизводит измеряемые энергетические и пространственные распределения протонов в окрестности межпланетных ударных волн (рис. 13 а, б).

Рис. 13. Энергетический спектр (а) и временная зависимость интенсивности протонов (б) вблизи фронта ударной волны. Эсперимент - измерения, выполненных на космическом аппарате ISEE 3. Сплошные кривые - теоретический расчет.

Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера продолжали эксперименты со встречными электрон-позитронными пучками.

В настоящее время единственной установкой в мире, где может быть проведено измерение сечения электрон-позитронной аннигиляции в адроны в области энергий центра масс до 1,4 ГэВ, является коллайдер ВЭПП-2М. Именно эта область энергий дает главный вклад в дисперсионный интервал, определяющий величину адронной поляризации вакуума, необходимую для многих теоретических расчетов. Полученные с помощью детектора КМД-2 данные имеют систематическую ошибку в 4 раза меньше мировых. Эти измерения конкурируют с прямыми поисками новых частиц на ускорителях с самыми высокими энергиями.

Изучение редких распадов векторных мезонов является важным источником информации о кварковой структуре и динамике взаимодействия элементарных частиц. Точность эксперимента КМД-2 позволяет изучать процессы, идущие с относительной вероятностью 10^-5. В частности, впервые наблюдалась мода распада j-мезона на pi-моль, е⁺ и е^—.

Рис. 14. Относительные вероятности редких каналов распада j-мезона.

На ускорителе ВЭПП-4М на пучке гамма-квантов высоких энергий (установка
РОКК-1М) с помощью калориметра на основе жидкого криптона выполнены эксперименты по наблюдению расщепления, а также рассеяния фотона в сильном Кулоновском поле ядра. В этих экспериментах впервые в мире наблюдался эффект расщепления фотона в Кулоновском поле ядра.

Выполнен большой объем работ по проекту "ВЭПП-5" — созданию комплекса электрон-позитронных коллайдеров (фабрик) со сверхвысокой светимостью, включающего в себя Ф-фабрику, С-Тау фабрику и инжекционный комплекс. Проектные параметры фабрик превосходят существующие и планируемые в мире. В 1996 году были закончены строительные работы помещений Ф-фабрик, пройдена половина одного из прямолинейных промежутков туннеля С-Тау фабрики. Изготовлены магнитные элементы накопителя-охладителя. Успешно проведены испытания ускоряющей структуры прототипа форинжектора. Достигнут расчетный средний темп ускорения 12 МэВ/м при мощности 20 МВт и максимальном ускоренном заряде 0.65 нК в макроимпульсе (2,5 нс, 31,5 МэВ).

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера — основной центр в России по разработке и созданию источников синхротронного излучения и его применению. Более 50 групп из различных российских и зарубежных организаций используют накопители ВЭПП-3 и ВЭПП-2М (3,5 тысяч часов в году) как источники синхротронного излучения для работ. Например, с использованием LIGA-технологии изготовлены и исследованы первые образцы с глубоким профилем (искусственный хрусталик глаза, апохроматические дифракционные линзы), высокоэффективные рентгенолюминофорные экраны с разрешением 30 мкм, регулярные массивы субмикронных проволок на основе магнитных сверхрешеток.

Разработан и испытан промышленный ускоритель ЭЛВ-6м с энергией 0,8-1,0 МэВ и током выведенного через фольгу пучка 200 мА. На этом ускорителей отработаны элементы конструкции нового поколения электронных ускорителе экологического применения с мощностью пучка в сотни киловатт и, в частности, двухоконное выпускное устройство.

Совместно с Новосибирским госуниверситетом проведены исследования по удалению ионов тяжелых металлов из модельных растворов. Полученные впервые в мире результаты являются уникальными и подтверждают высокую эффективность электронно-лучевых технологий для обезвреживания сточных вод, содержащих растворы тяжелых (Cr, Co, Cu, Pt, Pd и др.) металлов.

Совместно с Йенгнамским университетом (Южная Корея) проведены эксперименты по электронно-лучевой обработке промышленных стоков и получены положительные результаты.

В Институте сильноточной электроники СО РАН на основе сильноточного электронного ускорителя СИНУС-7 в релятивистской лампе обратной волны получены импульсы одномодового излучения мощностью до 3 ГВт. Длина волны излучения — 3 см, длительность импульса — 10 нс. Указанный уровень мощности является рекордным для одномодовых систем.

В том же институте обнаружено и исследовано явление стимулированной конденсации летучих органических веществ из ненасыщенного пара под воздействием импульсного электрического разряда атмосферного давления. Воздействие коронного разряда на газ, содержащий пары кислородсодержащих органических веществ с парциальным давлением от 1 до 10 % от давления насыщения, приводит к образованию капельного аэрозоля. Размер капель аэрозоля может достигать нескольких микрометров, а концентрация составляет около 10⁷ см^-3. Показана определяющая роль физико-химических свойств газовой смеси в процессе конденсации и коагуляции летучего вещества в рекомбинирующей низкотемпературной плазме.

Тем самым, продемонстрирована возможность использования явления стимулированной конденсации для глубокой очистки воздуха от нежелательных паров органических веществ. При этом энергозатраты на очистку могут быть снижены в 2—4 раза по сравнению с другими плазмохимическими методами.

Институтом лазерной физики впервые выполнены исследования по спектроскопии сверхвысокого разрешения в области 732 нм на компоненте сверхтонкой структуры линии поглощения молекулярного иода (рис. 16).

Рис. 16. Спектр поглощения J₂ вблизи частоты n_m=1/6n.

Получены J₂-резонансы насыщенного поглощения в этой спектральной области с относительной шириной ~ 10^-9, которые были использованы в качестве репера для стабилизации частоты Ti-сапфирового лазера (I=738 нм). Осуществлено абсолютное измерение частоты Ti-сапфирового стандарта с помощью специально созданной установки для синтеза и измерения оптических частот в ближнем ИК диапазоне, обеспечивающей точность измерения на уровне 10^-10 — 10^-11. Созданный стандарт частоты используется в экспериментах по прецизионной спектроскопии атома мюония, проводимых Rutherford Appleton Laboratory (Англия) в рамках международного проекта с участием Ruprecht-Karls-Universitat Heidelberg (Германия), University of Oxford (Англия) и Yale University (США). В ноябре 1996 года на ускорителе Rutherford Appleton Laboratory были проведены первые совместные эксперименты по спектроскопии мюония, позволившие измерить частоту 1S—2S перехода атома мюония с точностью 10^-9 — 10^-10 и получить новые данные по уточнению фундаментальных физических констант.

В том же институте впервые разработаны основы экспресс-метода обнаружения и идентификации микроорганизмов с использованием высокоразрешающей спектроскопии светового рассеяния. Разработка явилась результатом исследований по детектированию движения микрочастиц биологического и небиологического происхождения.

По временным и спектральным параметрам рассеянного излучения исследовались динамические характеристики единичных частиц микронного и субмикронного размеров, обладающих как собственной подвижностью, так и подчиняющихся тепловому броуновскому движению. Экспериментальные результаты показали, что разрабатываемая методика позволяет регистрировать в водных растворах не только различия между живой и неживой микрофлорой, но и отличительные особенности активности отдельных видов микроорганизмов (рис. 17).

Рис. 17. Динамика размножения клеток Escherichia coli в ростовой среде, фиксированная биологическим и оптическим методами.

Учеными Института оптики атмосферы с использованием релеевского и рамановского лидаров освоено зондирование температуры атмосферы в интервале высот 3—75 км. Измерение температуры в интервале высот 3—14 км проводилось рамановским лидаром с возбуждением колебательно-вращательного перехода молекул азота излучением на длине волны 353 нм и переизлучением на длине волны 384 нм, в интервале высот 13—35 км — релеевским лидаром по молекулярному рассеянию света по длине волны 353 нм, в интервале высот 30—75 км — релеевским лидаром по молекулярному рассеянию света на длине волны 532 нм.

Прием эхосигналов проводился в режиме счета фотонов с пространственным разрешением в стробе 100 м. Время накопления лидарного сигнала, необходимого для получения единичного профиля температуры, составляло 30—60 мин.

                                       Рис. 18.

На рис. 18 приведены профили температуры, полученные лидаром в тропосфере, стратосфере и мезосфере Земли. Для про-верки достоверности лидарных данных было проведено сравнение измерения температуры лидаром и метеозондом.

Получено качественное и количественное совпадение лидарных и метеозондовых профилей температуры. Среднеквадратичный разброс данных, рассчитанных по 73 парам отсчетов, составил 2,4 K.

В том же Институте разработана методика на базе высокочувствительной оптико-акустической лазерной спектрофотометрии, позво-ляющая изучать закономерности кинетики выделения CO₂ культурными растениями (горох, пшеница, кукуруза) и деревьями лиственных и хвойных пород при природных и техногенных стрессовых воздействиях.

При воздействии пониженного атмосферного давления (гипобарии) зарегистрирована видоспецифичность увеличения темнового выделения CO₂, (на десятки и сотни процентов) листовым аппаратом и установлены корреляционные связи между кинетикой выделяемого CO₂ и биохимическими процессами в ткани растений. Обнаружено увеличение выделения CO₂ при повышенной концентрации в воздухе углеводородов (рис. 19).

Рис. 19. Выделение CO₂ проростками гороха при повышении содержания этилена (C₂H₄) в атмосферном воздухе.
    C соответствует фоновому содержанию этилена.

При концентрации этилена 100 ppm выделение CO₂ хвойными деревьями возрастает почти в два раза. Разработанная методика позволяет оперативно исследовать реакцию растений на загрязнение воздуха, включая определение пороговых концентраций газообразных загрязнителей, а также исследовать особенности газообмена в системе биосфера/атмосфера.

[В оглавление]

Go to Home Site

[Сл. стр.]