Ученые из НИЯУ МИФИ провели моделирование, которое позволяет оценить оптимальные параметры лазерного воздействия при исследовании вольфрамовой поверхности реактора.
Один из самых многообещающих источников энергии — термоядерная энергетика.
Важным шагом в этом направлении является проект международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, который в настоящее время строится на юге Франции.
Российские ученые активно участвуют в создании этого реактора.
Проект требует решения множества технических проблем, одной из которых является поглощение топлива, изотопов водорода, внутренней поверхностью реактора.
Внутри термоядерного реактора сверхтяжелый водород тритий реагирует с другим изотопом — дейтерием, образуя гелий, нейтроны и выделяя энергию.
Однако часть трития не принимает участие в реакции, а поглощается стенками реактора.
Одним из основных способов накопления топлива является процесс со-осаждения.
В ходе горения разряда внутренняя поверхность реактора (которая предположительно будет состоять из вольфрама) частично распыляется, атомы отделяются от нее и осаждается обратно на поверхность стенки.
Растущие пленки с высокой эффективностью захватывают падающие на поверхность ионы трития, что приводит к накоплению большей части атомов водорода в тонком слое на поверхности стенки.
Этот захват топлива порождает ряд проблем.
Тритий является дорогостоящим сырьем, и его потери влияют на экономику термоядерной установки и ее эффективность.
Более того, тритий радиоактивен, и его накопление в стенках реактора в больших количествах может создавать угрозу безопасности.
Для контроля уровня водорода, поглощенного поверхностью реактора, предлагается использовать лазерный метод: нагрев маленькой области стенки лазером вызывает выделение «застрявшего» в стенке водорода, который затем измеряется методами масс-спектрометрии или оптической спектроскопии.
Этот метод можно применять прямо в реакторе для измерения поглощенного водорода между плазменными разрядами.
Моделирование, выполненное в НИЯУ МИФИ, показывает оптимальные параметры лазерного воздействия на вольфрамовую поверхность реактора.
Важным параметром является температура нагрева поверхности: при достаточно высокой температуре десорбция оказывается эффективной.
Измерение максимальной температуры поверхности в ходе лазерного воздействия позволяет достичь высокой точности измерений без информации о других свойствах материала.
Более продолжительный лазерный импульс нагревает более глубокие слои поверхности.
Нагрев материала импульсом длительностью в миллисекунду может привести к почти полному выделению водорода из слоя толщиной 10 мкм.
Один из авторов исследования Ю. Гаспарян отмечает, что при проектировании реактора ИТЭР предусмотрено создание многочисленных систем диагностики состояния плазмы, но системы диагностики поверхности стенок не хватает, многие из них сейчас находятся в стадии разработки.
Однако состояние обращенной к плазме поверхности оказывает на нее огромное влияние, и такие инструменты необходимы не только для контроля содержания трития в стенке, но и для изучения физики удержания плазмы.
Проведенное исследование будет полезно для дальнейшего развития систем контроля состояния внутренней поверхности в термоядерных установках.
Источник: https://neftegaz.ru/

Российские физики разработали лазер для выявления утечек метана.
Он представляет собой диск микроскопических размеров, который действует в инфракрасном диапазоне. Диаметр лазера всего 0,05 мм — это примерно как половина толщины человеческого волоса. Лазеры с инфракрасным излучением могут решать широкий спектр задач — например, экологического мониторинга, медицинской диагностики, химического анализа и, в частности, поиска утечек метана в шахтах и на газопроводах. Но пока этих приборов недостаточно из-за сложности производства и высокой себестоимости. Ученые разработали прототип инструмента, который в будущем сможет стать техническим решением, внедренным в производство.
«Важное преимущество созданного нами межзонного лазера в том, что его конструкция позволяет, меняя температуру рабочей среды, настраивать длину волны излучения в широком диапазоне, необходимом для проведения химического анализа, диагностики и молекулярной спектроскопии. Квантово-каскадные и оптоволоконные лазеры такой широкой возможности не дают», — объяснил доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Института физики микроструктур РАН Сергей Морозов.
Именно функция перестраиваемости лазера позволяет быстро определять утечку метана на газопроводах, в шахтах и подземных сооружениях.
Для этого на одном конце помещения или трассы трубопровода светит лазер на длине волны 3,2 мкм (одна из длин, подходящих для поглощения метана), а на другом конце его излучение фиксирует детектор и выдает сигнал в вольтах. Если на пути свечения лазера возникает утечка метана, то газ поглощает его излучение и сигнал на детекторе уменьшается.
Структура лазера многослойна, основу составляет тройное полупроводниковое соединение кадмий—ртуть—теллур. Это один из немногих подходящих полупроводников для генерации излучения среднего инфракрасного диапазона. Фотоны инфракрасного излучения, то есть лазерное излучение, генерируются в активной области лазера — квантовых ямах.
Полупроводниковый материал для лазера был выращен в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения РАН, а лазер создан в Институте физики микроструктур РАН. Ученые провели исследование совместно.
«Активная среда лазера содержит несколько узких квантовых ям толщиной 3−4 нанометра на основе теллурида ртути. Именно в них возможна генерация нужного межзонного излучения в диапазоне 3,8−4,7 микрона. Но чтобы сделать лазер, излучение нужно поместить в резонатор. Для этого мы рассчитали и изготовили микродисковую конструкцию лазерного резонатора на “модах шепчущей галереи”. Таким образом, излучение усиливается путем многократного отражения от стенок диска. Микродиск был изготовлен с помощью ионного травления и безмасочной литографии, при этом нам удалось добиться нужных параметров, не ухудшив свойства исходного материала», — рассказал Сергей Морозов.
«Моды шепчущей галереи» — это эффект эхо в круглых помещениях, когда звук отражается от стен и образует стоячую звуковую волну. По такому принципу ученые спроектировали микродисковый резонатор, но не для звуковых волн, а для инфракрасного излучения.
Специалисты Института физики полупроводников отмечают, что физические характеристики материала играют ключевую роль для работы лазера. Потому полупроводниковый материал для основы лазера они вырастили высокотехнологичным методом молекулярно-лучевой эпитаксии, который позволяет тщательно контролировать его состав и толщину — в буквальном смысле на уровне атомов.
«Профиль распределения состава каждой квантовой ямы строго выдержан. Кроме того, ямы должны быть идентичны, а в полупроводниковой структуре, которая использовалась при разработке лазера, таких ям тринадцать. В нашем институте отработана технология контролируемого выращивания квантовых ям на основе теллурида кадмия ртути и запатентован способ контроля толщины и состава с помощью эллипсометрических измерений. Мы можем выращивать структуры даже с большим числом квантовых ям — от 40 до 50. Больше никто в мире не умеет контролируемо выращивать такие структуры», — объясняет старший научный сотрудник Института физики полупроводников СО РАН, кандидат физико-математических наук Николай Михайлов.
Созданию лазера предшествовала длительная совместная работа нижегородских и новосибирских физиков.
«Мы последовательно оптимизировали дизайн и технологию роста структур: добились низкого содержания кадмия в квантовых ямах до нескольких процентов, разработали методику контроля профиля распределения состава в квантовых ямах нанометрового размера», — добавил Николай Михайлов.
Исследование проведено в ходе реализации крупного научного проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», поддержанного Минобрнауки России. Результаты работы опубликованы в научном журнале Applied Physics Letters.
Подготовлено при поддержке Минобрнауки
Источник: https://www.kommersant.ru/

Материал может использоваться для создания невидимых чернил и светодиодов
Ученые Института катализа Сибирского отделения РАН (ИК СО РАН) оптимизировали методику получения красных нанолюминофоров — материала для различных источников света и биовизуализации, сообщает пресс-служба ИК СО РАН.
«Они применили направленный дизайн и выяснили, что добавка 30% кислорода в процесс синтеза позволяет повысить квантовый выход, отвечающий за яркость, практически до 70%», — говорится в сообщении.
Квантовый выход — отношение количества испускаемых фотонов к количеству поглощенных фотонов.
Для синтеза нанолюминофора используют микропорошки оксида иттрия с добавленными в него ионами европия, а затем испаряют материал в газовой среде аргона с помощью лазера.
Красные люминофоры востребованы, в частности, для источников теплого белого света, однако при обычном способе их создания в кристаллической структуре возникают дефекты (кислородные вакансии), излучающие синий свет и увеличивающие затраты энергии на люминесценцию.
В кристаллической структуре исходного соединения есть дефекты — кислородные вакансии. Из-за них увеличивается затрачиваемая на люминесценцию энергия. Кроме того, они излучают синий, а не красный свет.
Отмечается, что подход может пригодиться и при создании других люминофоров, поскольку в целом обработка готовых оксидов кислородом на воздухе, применяемая обычно, дает квантовый выход 25%.
В ИК СО РАН также создают приложения для исследований физических свойств этих красных люминофоров — светодиоды, симпатические, или невидимые, чернила, а также тестируют измерение температуры с помощью люминесценции.
Источник: https://www.interfax-russia.ru/

В Первом МГМУ создали лазерную систему непрерывной визуализации кровотока мозга
Ученые Сеченовского университета совместно с НМИЦ нейрохирургии им. ак. Н.Н. Бурденко разработали систему, способную непрерывно визуализировать движение церебрального кровотока при нейрохирургических операциях при помощи лазера. На сегодняшний день аналогов этому устройству в России и мире нет. Разработчики уверены, что такое решение существенно снизит риски осложнений как во время вмешательства, так и после него, об этом «Газете.Ru» рассказали в Первом МГМУ им. Сеченова.
Сегодня при выполнении нейрохирургических операций визуально оценить наличие или отсутствие кровотока в сосудах невозможно. Однако при операциях по поводу патологий мозгового кровотока, например, аневризм, это необходимо. Поэтому врачи используют ультразвуковой допплеровский датчик или контрастные методы, которые требуют введения специальных венозных катетеров и хирургических манипуляций.
Кроме того, эти способы не обеспечивают непрерывную визуализацию перфузии в сосудах. Новое устройство устранит эти недостатки.
«Принцип его работы основан на регистрации обратно-рассеянного лазерного инфракрасного излучения от движущихся эритроцитов с помощью камеры. При освещении сосуда лазерным излучением на его поверхности будут спроецированы периодические структуры, связанные с процессами интерференции света с движущимися эритроцитами – спеклы. Регистрируя изображения с этими структурами на камеру и подвергая их дополнительной обработке, можно оценить отсутствие или наличие кровотока и отобразить на операционном мониторе его динамику без введения контрастных веществ», – рассказал «Газете.Ru» один из исполнителей проекта, инженер-исследователь Дизайн-центра гибкой биоэлектроники Института бионических технологий и инжиниринга Сеченовского Университета Игорь Козлов.
Проект поддержан грантом Российского Научного Фонда.
Источник: https://www.gazeta.ru/

Беспроводная связь стала неотъемлемой частью жизни современного человека. Разработка новых стандартов не останавливается: внедрение технологий дополненной реальности, умных домов или хирургических роботов требует сверхбыстрой передачи информации по беспроводным каналам.
Японские ученые нашли способ повысить скорость, снизив уровень шума в системе при помощи лазеров. В результате они добились скорости передачи данных в одном цифровом канале 240 Гбит/с и уверены, что смогут поднять ее в перспективе до 1 Тбит/с.
Шестое поколение мобильной связи, или 6G будет использовать для передачи большого количества данных субтерагерцовый диапазон частот от 100 до 300 ГГц. Еще больше повысит скорость технология многоуровневой модуляции сигнала. Однако на предельных скоростях она становится крайне чувствительной к помехам. Для хорошей работы необходимы точные опорные сигналы, и когда возникает так называемый фазовый шум, производительность многоуровневой модуляции сигнала падает.
«Эта проблема до сих пор ограничивала связь на частоте 300 ГГц, — сказал Кейсуке Маэкава, автор исследования. — Однако, мы обнаружили, что на высоких частотах у генератора сигнала, основанного на фотонном устройстве, намного меньше фазового шума, чем у обычного электрического генератора сигнала».
Команда ученых из Университета Осаки применила ВРМБ-лазер, в котором для усиления света используются звуковые волны, для создания точного сигнала, пишет EurekAlert. Затем они собрали систему связи на частоте 300 ГГц с генератором сигнала в приемнике и передатчике. Для демодуляции сигналов в приемнике и повышении скорости передачи данных также была задействована цифровая обработка сигнала (ЦОС).
В результате ученые добились скорости передачи данных в одном канале 240 Гбит/с. Это наивысший результат в мире для систем, использующих ЦОС. Разработчики рассчитывают, что после применения методов уплотнения каналов и создания более чувствительных приемников скорость данных может возрасти до 1 Тбит/с.
Источник: https://hightech.plus/

Одним из наиболее перспективных источников энергии является термоядерная энергетика. Важнейшим шагом в достижении этой цели должна стать реализация проекта международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, строящегося на юге Франции, в создании которого активное участие принимают российские ученые. Реализация проекта требует решения многих технических проблем, одной из которых является поглощение топлива, изотопов водорода, внутренней поверхностью реактора.
Внутри термоядерного реактора сверхтяжелый водород — тритий. Однако часть трития не вступает в реакцию, а оказывается поглощенной стенками реактора. Это порождает целый ряд проблем: во-первых, тритий — весьма дорогостоящее сырье, и его потери влияют на экономику термоядерной установки и эффективность ее работы, во-вторых, тритий радиоактивен, и, если он будет накапливаться в стенках реактора в больших количествах, это может создавать угрозу безопасности.
Поэтому необходимо выработать методику контроля количества водорода, поглощенного поверхностью реактора. Одним из методов является использование лазера: малый по площади участок внутренней стенки нагревается с помощью лазерного излучения, и «застрявший» в стенке тритий выделится обратно, после чего его количество оценивается методами масс-спектрометрии или оптической спектроскопии. Достоинство этого метода заключается в том, что его можно будет применять непосредственно в реакторе, замеряя количество поглощенного водорода между плазменными разрядами.
Моделирование, проведенное и.о. заведующего кафедрой физики плазмы НИЯУ МИФИ Юрием Гаспаряном и аспирантом кафедры Владимиром Кулагиным, позволяет оценить оптимальные параметры лазерного воздействия при исследовании вольфрамовой поверхности реактора.
В частности, показано, что важным параметром данной процедуры является температура нагрева поверхности: если она достаточно велика, то десорбция оказывается эффективной. Если же удастся реализовать измерение максимальной температуры поверхности в ходе лазерного воздействия, то можно добиться высокой точности измерений без информации о других свойствах материала, которые могут меняться в ходе плазменного воздействия.
Также показано, что чем больше продолжительность лазерного импульса, тем более глубокие слои поверхности удается нагреть. Согласно расчетам, нагрев материала импульсом длительностью в миллисекунду может привести к почти полному выделению водорода из слоя толщиной 10 мкм. Для диагностики состояния поверхности этого может быть достаточно, поскольку на этой глубине «залегает» большая часть поглощенного поверхностью трития.
Юрий Гаспарян отмечает, что при проектировании реактора ИТЭР предусмотрено создание многочисленных систем диагностики состояния плазмы, однако систем диагностики поверхности стенок значительно меньше и многие находятся в стадии разработки. Между тем состояние обращенной к плазме поверхности оказывает на нее огромное влияние, и такие инструменты необходимы не только для контроля содержания трития в стенке, но и для изучения физики удержания плазмы. Проведенное исследование будет полезно для дальнейшего развития систем контроля состояния внутренней поверхности в термоядерных установках.
Результаты исследования российских ученых опубликованы в Journal of Nuclear Materials.
Источник: https://scientificrussia.ru/

Специалисты Владимирского инжинирингового центра использования лазерных технологий в машиностроении при ВлГУ разработали комплекс обнаружения и обезвреживания малоразмерных беспилотников с помощью лазера. В отличие от близких по функционалу систем, он потребляет меньше энергии и способен заряжаться от розетки с напряжением в 220 вольт, сообщили ТАСС в пресс-службе платформы Национальной технологической инициативы (НТИ).
Проект заявлен для участия в форуме «Сильные идеи для нового времени», который в феврале проведут Агентство стратегических инициатив и фонд «Росконгресс».
«Созданный инженерами ВлГУ комплекс содержит в себе радиолокационные системы (РЛС), которые работают на новых физических принципах и имеют модули подавления и обезвреживания <…> малоразмерных дронов. <…> [Комплекс потребляет в несколько раз меньше энергии] – от 1,5 раза и выше, в зависимости от того, с каким решением сравнивать», – сообщили в организации.
Решение способно обнаружить беспилотники на дистанции до 4–5 км и посадить их за счет работы средств РЭБ, либо обезвредить аппарат с помощью лазера, уточнили в платформе НТИ. Испытания опытного образца подтвердили заявленные характеристики.
«Наша платформа также может подпитываться от розетки [с напряжением в] 220 вольт. Больше таких решений в этом сегменте нет – остальные работают от генераторов. <…> Мы также выступили с инициативой создать сеть инжиниринговых центров в области разработки и внедрения лазерных технологий на базе технических вузов страны. Это позволит сформировать компетенции в области лазерных технологий, разрабатывать нормативно-правовую базу, готовить профильные кадры, а также менять консервативные подходы инженерно-технических работников заводов в области конструирования, обработки деталей и узлов», – поясняет один из авторов проекта Александр Люхтер, чьи слова приводит пресс-служба организации.
Источник: https://nauka.tass.ru/

Уровень концентрации парниковых газов в атмосфере Земли является одним из определяющих факторов формирования климата планеты. Изменение климата проявляет себя в таких явлениях, как таяние ледников, повышение уровня мирового океана и рост средней температуры на поверхности Земли.
Водяной пар и углекислый газ являются наиболее активными из парниковых газов. По разным данным, их вклад в парниковый эффект составляет около 50 и 25%, соответственно.
Мониторинг содержания данных газов в атмосфере имеет основополагающее значение. Поэтому разработка новых подходов и инструментов для дистанционного измерения атмосферной концентрации H2O и CO2 остается актуальной.
Сотрудниками Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН разработана лидарная система для измерения содержания парниковых газов (H2O и CO2) в нижней тропосфере с использованием двухканальной лазерной системы для одновременного восстановления пространственных профилей и концентраций исследуемых газов.
Результаты могут использоваться при разработке измерительных систем мониторинга газового состава атмосферы в промышленных центрах, на фоновых измерительных станциях и в районах болотных экосистем.
Работа опубликована в Journal of Optical Technology.
Источник:
https://www.ras.ru/

Специалисты Московского физико-технического института (МФТИ) разработали прототип компактного терминала лазерной связи для космических аппаратов. Такую установку можно использовать даже на малых аппаратах класса CubeSat, как сообщила пресс-служба МФТИ. Лазерная система позволяет реализовать связь принципиально нового качества с орбитой и космосом, в первую очередь за счёт большой пропускной способности.
В отличие от радиоволн, луч лазера не так сильно рассеивается, а плотность его излучения в целевом секторе больше, чем у радиопередатчика, поэтому можно обойтись без приёмников длиной в десятки метров, как отмечают в МФТИ. Созданный российскими учёными терминал космической лазерной связи потребляет порядка 15 Ватт энергии и способен передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с на расстояния порядка 1,5 тыс. км. Корпус и некоторые другие детали системы были изготовлены с помощью 3D-печати и ЧПУ-станков, при этом все компоненты системы можно уместить в небольшой коробке, которая уберётся даже на микроспутник.
Такое оборудование в перспективе позволит российским орбитальным зондам как обмениваться информацией между аппаратами на орбите, так и связываться с наземными станциями. В ближайшее время разработчики планируют создать новую версию прототипа, которая получит усовершенствованную оптику и будет полностью готова к установке на борт реального космического аппарата.
Источник: https://www.ixbt.com/

Исследование европейских учёных показало, что высокочувствительные сенсоры, основанные на центрах окраски в алмазе, можно использовать для регистрации электрической активности нейронов в живой ткани мозга.
Центры окраски существуют в кристаллах вообще, и в алмазах в частности. Поясним, что состоящий в основном из углерода природный алмаз в разные цвета окрашивают посторонние влияния или атомы, например, бора или азота. А центрами окраски в кристаллической решётке алмаза называют атомы таких примесей в связке с вакантными участками, где нет атома углерода. Иными словами, центры окраски — это изъяны с определёнными свойствами в алмазе.
Физически центры окраски представляют собой различные конфигурации инородного атома, например, азота или другого элемента, в кристаллической решетке и одной или нескольких вакансий, то есть отсутствующих атомов углерода. Поскольку эти центры мы здесь упомянем ещё не раз, сократим их до ЦОА.
А теперь о головном мозге. Ещё до проявления симптомов неврологических заболеваний, в том числе деменции, в тканях мозга, как правило, уже произошли некие изменения. Предположим, при этом некоторые участки мозга меняются или в них нежелательным образом накапливаются белки. Столь, казалось бы, небольшие изменения способны оказать влияние на то, как клетки головного мозга передают друг другу сигналы, как они взаимодействуют и как идёт обработка и запоминание информации.
Исследователи в области медицины стремятся изучать такие перемены на самых ранних этапах неврологических заболеваний. Цель — как можно больше узнать об истоках недуга для выбора более эффективной терапии.
На сегодняшний день для изучения особенностей мозга обычно идут одним из двух путей. Первый — оптическое исследование образцов ткани подопытных животных или умерших пациентов, которые при жизни страдали интересующим специалиста заболеванием. Второй подход — измерять сигналы, идущие от нервных клеток, с помощью проводов, окрашивания или света.
Однако у обеих базовых методик есть свои ограничения: угроза повреждения тканей или искажения изучаемых сигналов. Кроме того, некоторые сигналы от нервных клеток, важные для диагностики того или иного заболевания, бывает вообще трудно измерить.
Учёные из нескольких европейских вузов отыскали способ измерения таких сигналов, не прикасаясь к тканям мозга и не втыкая в него никаких зондов.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Ученые ТПУ в составе международного научного коллектива разработали метод создания проводящих узоров на поверхностях разных пластичных полимеров гибкой электроники. По мнению авторов, эта технология позволит создавать композитные материалы на органической основе с добавлением восстановленного оксида графена для увеличения проводимости. Результаты представлены в научном журнале Polymers.
Гибкая электроника – это общий класс электронных устройств, которые можно гнуть, сгибать и сворачивать. К ним относятся как простые проводники, так и электронные устройства и сенсоры, в том числе нательные сенсоры, рассказали специалисты Томского политехнического университета (ТПУ).
Применение элементов гибкой электроники перспективно не только для создания медицинских и спортивных устройств: некоторые промышленные сенсоры, OLED-дисплеи, которые можно скручивать, наконец, электронная кожа с сенсорами давления и температуры для протезирования и робототехники, все эти изобретения включают в себя гибкую электронику, отметили ученые.
Ученые Томского политеха вместе с коллегами из Китая и Австрии разработали практически универсальную технологию обработки любых термопластичных полимеров для создания гибких электронных элементов. Поскольку для таких деталей ключевая характеристика – электропроводность, исследователи предложили способ повышения проводимости за счет введения в полимеры частиц восстановленного оксида графена с помощью лазерного излучения.
Интересная возможность открывается с точки зрения термоформования, то есть изменения формы устройства уже после изготовления проводящего слоя. Ученые продемонстрировали это на примере проводящего браслета для умных часов. Таким образом, им удалось доказать состоятельность предлагаемого подхода, который состоит во введении лазером проводящих частиц на основе графена в полимерную структуру с ее последующим термоформованием.

«Мы подобрали параметры лазера под каждый полимер, и показали, что фазовые переходы и температуры деструкции полимеров определяют успешность подхода. Точный подбор характеристик излучения важен не только для сохранения целостности и консистенции материала-основы, но и для того, чтобы оксид графена перешел в восстановленную форму. В случае успеха мы в строго заданном месте получаем материал для гибкой электроники, который не только проводит ток, но и имеет хорошую механическую стабильность», – отметили ученые.

Исследование выполнено в рамках проекта Российского научного фонда (грант № 22–12–20027) и при поддержке администрации Томской области.

Источник: https://ria.ru/

 

Страница 1 из 10

© 2024 Лазерная ассоциация

Поиск