«Лицо» современной физики – Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) в Нижнем Новгороде – является одним из ведущих физических институтов России. Вот уже почти 50 лет здесь проводятся различные исследования, результаты которых ложатся в основу уникальных разработок, применяемых во всем мире – гиротроны, мощные лазерные системы, средства гидроакустической метрологии. Чем сегодня занимаются исследователи в стенах института, рассказываем в новом материале в рамках проекта «Homo Sapiens нижегородский».
Стоит как крыло «Боинга»
Представляете себе кристалл? Это не просто прозрачный камень с четкими и красивыми гранями, который можно поставить на полочку и любоваться им. Настоящие кристаллы широко применяются в самых разных сферах жизни: в технике их используют для создания жидкокристаллических дисплеев у телевизоров, в медицине – в датчиках для измерения температуры или давления.
В отделении нелинейной динамики и оптики ИПФ РАН тоже есть такие кристаллы, но уже для работы со сверхмощными лазерами. Здесь выращиваются огромные кристаллы группы KDP, которые используются для преобразования лазерного излучения. Растет такой кристалл шесть месяцев – от 3 до 15 мм в сутки, весит до 100 кг, а его стоимость достигает десятков миллионов рублей.
Содержатся кристаллы в специальных «банках» размером с человеческий рост – кристаллизаторах. Они могут достигать объемов до 700 литров: такие гигантские размеры предусмотрены неслучайно.
«Сейчас пиковые мощности лазеров достигают нескольких единиц петаватт. Для преобразования такого мощного излучения нужны либо кристаллы, которые имеют высокую лазерную стойкость, либо кристаллы большой световой апертуры, – рассказывает заведующий лабораторией роста кристаллов Владимир Грибко. – Наука пошла по тому принципу, что пока нет таких кристаллов, которые бы не разрушились под воздействием лазеров, и решили увеличивать размеры. Но, как оказалось, единственное возможное вещество, которое может достигать больших размеров, – это кристалл дигидрофосфата калия».
Помещение, где выращиваются кристаллы, должно быть максимально чистым. Даже самая мельчайшая пылинка, если попадет внутрь кристаллизатора, может спровоцировать рост так называемых «паразитных кристаллов», которые будут мешать росту основного. Поэтому вход в лабораторию – строго в халатах, бахилах, а в работе с материалом обязательны перчатки.
Сами кристаллы также вырастают из растворов чистейшей воды – можно даже пить. Однако ученые предупреждают, что длительное употребление такой воды может привести к вымыванию калия и магния из организма.
Кристаллы, когда они вырастают до нужных размеров, достают из кристаллизатора, нарезают, затем шлифуют, полируют, покрывают просветляющим покрытием и направляют заказчикам.
Мощность Солнца
Сейчас ученые всего мира пытаются создать термоядерный синтез – процесс, происходящий в звездах. В нем два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое, а в результате выделяется большое количество энергии. Такую же реакцию пытаются провести в лабораторных условиях, на международном экспериментальном термоядерном реакторе ITER. В этом проекте принимают участие и сотрудники отделения физики плазмы и электроники больших мощностей ИПФ РАН.
Конечно, достичь таких же температур, как на Солнце, непросто: нет нужного материала, который бы смог выдержать высокие градусы. Однако при таких температурах, к счастью для людей, вещество превращается в плазму, которая может удерживаться в магнитном поле. А сами заряженные частицы, содержащиеся в плазме, будут летать по спирали. Если ее зациклить, превратить в своеобразный «бублик», то плазма будет летать по нему длительное время. При этом она не будет касаться стенок вакуумной камеры, в которой содержится, и не будет их плавить. Такая установка получила название «токамак».
Другим этапом работы стала разработка методики нагревания плазмы до «солнечных» температур. Один из популярных методов сегодня – нагрев СВЧ-излучением, источником которого выступают гиротроны. Они были изобретены в ИПФ РАН еще 40 лет назад и используются практически на всех термоядерных установках. Мощность одной такой системы достигает 1 мегаватта. Для примера: если направить пучок света с такой мощностью в кирпичную стену, ее прожжет за несколько секунд насквозь.
Благодаря таким разработкам ИПФ РАН стал участником проекта ИТЭР, в котором можно будет реализовать термоядерный синтез. Запустить такой реактор страны-участницы намерены к 2039 году. Для него нижегородские ученые уже поставили восемь гиротронных комплексов.
«Для проекта ИТЭР гиротроны производятся в трех местах: в России, Европе и Японии. При этом именно российские приборы уже готовы к использованию, – рассказал доктор физико-математических наук, заведующий отделением физики плазмы и электроники больших мощностей, заместитель директора ИПФ РАН Вадим Скалыга. – В будущих термоядерных установках с реакторными технологиями будут применяться гиротроны уже следующего поколения, например, в российском проекте ТРТ. Такие гиротроны уже в процессе разработки: так, первый прототип будет генерировать излучение мощностью 1 МВт на частоте 230 ГГц. В проекте ТРТ будет использоваться 12 таких систем».
Космос на Земле
Изучением физических явлений в атмосфере и космосе на Земле занимаются и в лаборатории моделирования геофизических плазменных явлений. На входе в эту лабораторию нас встречает массивная красная дверь. И неслучайно.
Здесь находится плазменная установка «Крот» c вакуумной камерой длиной 10 метров, в которой проводятся все эксперименты. Сама она непрерывно функционирует с 1983 года.
Плазма присутствует на многих космических объектах. Это Солнце, которое зачастую выбрасывает плазму, а люди ее ощущают на себе в форме магнитных бурь. Это и звезды, Земля, чья плазма представлена в виде ионизированных верхних слоев атмосферы – так называемой ионосферы, начинающейся с высот более 70 км. Она также может влиять на работу спутников связи, системы GPS, ГЛОНАСС.
Чтобы понять, как все-таки «всё работает» в космосе – да и в той же ионосфере Земли – ученые решили проводить эксперименты в чуть меньших масштабах – на установке «Крот».
Гроза «на рабочем столе»
В этом же помещении находится еще одно интересное устройство – это генератор импульсных напряжений (ГИН). С его помощью ученые моделируют настоящие молнии – правда, чуть меньшим размером: около 1-2 метров.
Из чего состоит ГИН? Это генератор, который формирует напряжение в миллион вольт, которое затем подается на потенциальный электрод и зажигает длинный искровой разряд. Весь процесс фиксируется на специальные фотокамеры и другое оборудование.
«Зачем мы этим занимаемся? Молния – мощнейший природный источник электромагнитного излучения. Причем, это излучение очень широкого частотного спектра. И если раньше исследовались сигналы в диапазоне от единиц килогерц до десятков мегагерц, то сегодня нас интересуют импульсные сигналы на верхней границе частотного спектра излучения молнии – это гигагерцы и даже до десятка гигагерц, – поясняет кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией моделирования геофизических плазменных явлений Михаил Гущин. – На таких частотах молния может представлять дополнительную опасность для различных электронных систем, и недооценка того, что это излучение может сделать, губительна».
Ранее на сайте pravda-nn.ru сообщалось, что нижегородский физик Сусанна Гордлеева объяснила, зачем нужны нейроинтерфейсы. Они позволяют передавать информацию из мозга человека непосредственно на устройство и, тем самым, управлять «силой мысли».