В институтах и научных центрах РАН

20.01.2011

Очевидное невероятного

Разработана методика определения длины волны

Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали методику определения длины волны монохроматического светового излучения с точностью выше 1 нм. Для этого достаточно сфотографировать излучающую поверхность на цифровой фотоаппарат и соответствующим образом обработать получившееся изображение. При этом ученые столкнулись с дефектом цветопередачи, присущим практически всем современным цифровым фотоаппаратам.

Идея развить колориметрический метод определения длины волны появилась у физиков из ФИАНа в процессе разработки голографических сенсоров для диагностики концентрации различных составляющих растворов. При опускании сенсора в раствор, содержащий диагностируемые компоненты, голографический слой разбухает или наоборот сжимается, и при освещении голограммы белым светом длина волны отраженного от нее излучения изменяется. Такие пластинки могут быть использованы для определения кислотности среды, содержания в ней спирта, ионов некоторых металлов, глюкозы, определения качества воды и многого другого. С помощью одной пластинки можно анализировать сразу несколько образцов, например, тестировать на глюкозу одновременно несколько проб крови от разных пациентов. Это несложно осуществить при разделении самой голограммы на несколько непересекающихся областей. Но тогда необходимо и сами отклики измерять в большом массиве точек пространства. Привычный спектрометр с волоконно-оптическим входом здесь не помощник - нужно промерить слишком большое количество точек, но методами науки об измерении цвета - колориметрии - эту задачу решить можно.

"Все наши ощущения о цвете построены на одновременном действии трех типов цветовых колбочек и возможности мозга обрабатывать их показания. Известные всем компоненты RGB в каком-то смысле этому соответствуют. От поверхности сенсоров отражаются узкие спектральные линии, то есть цвет монохроматический, и поэтому колориметрически достаточно сигналов даже от двух спектральных каналов - зная соотношение этих сигналов в конкретной точке, мы можем определить в ней длину волны", - объясняет руководитель работы, кандидат физ.-мат. наук Александр Крайский.

Иными словами, каждый пиксель цифрового изображения в системе RGB содержит три цветовых компоненты - красную, зеленую и синюю. В случае монохроматического излучения, которое дают сенсоры, можно ограничиться и двумя компонентами этой системы. Проще говоря, для того, чтобы найти распределение средней длины волны по поверхности сенсора, нужно сфотографировать излучающую поверхность, выделить с помощью специальной программы минимум две компоненты системы RGB и определить их соотношения в различных точках фотографии. Но, конечно, предварительно нужно знать, как конкретный фотоаппарат отображает излучение с различными длинами волн.

"Найти такие зависимости для фотоаппаратов в Интернете нам не удалось, представители различных фирм, к которым мы обращались на выставках, также ничем не смогли помочь. В итоге мы сделали простую установку и стали фотографировать спектр. Следует отметить, что работали мы с распространенными форматами цифровых изображений - BMP и JPG. Дальше из изображения выделили RGB компоненты и увидели, что разница в цветовосприятии глаза и фотоаппаратов в каком-то смысле катастрофическая. Глаз устроен так, что в любой области присутствуют минимум две цветовые компоненты, тут же оказалось, что в спектральном диапазоне 540-575 нм фотоаппараты вообще не чувствуют изменений цветового тона", - констатирует Крайский.

Всего физики исследовали более десятка различных фотоаппаратов, оказалось, что спектральные характеристики их приемных матриц принципиальных различий не имеют. В итоге был выбран и откалиброван один фотоаппарат. Для калибровки выбранным фотоаппаратом с различной выдержкой снимали непрерывный спектр - спектр лампы накаливания - с наложенным на него для градуировки спектром ртутной лампы. В последующем этот спектр использовался как опорный для калибровки изображений по длинам волн.

"Встроенный процессор фотоаппарата обрабатывает сигнал с матрицы так, чтобы улучшить восприятие изображения глазом, - поясняет участница работы, научный сотрудник ФИАН Татьяна Миронова. - Поэтому при изменении экспозиции изменяются не только величины сигналов в каналах R, G, B, но и их соотношение. По сводной фотографии спектров мы определяем, как для конкретной длины волны изменяется соотношение цветовых компонент в конкретной точке в зависимости от ее яркости".

Для автоматизации процесса определения длины волны все возможные вариации зависимости ее от цветности и интенсивности были учтены при составлении характеристической поверхности. Пока это было сделано для конкретного фотоаппарата, в дальнейшем на этом же принципе можно изготовить специальный прибор, но уже с широкополосной системой регистрации, то есть без "пробела" в диапазоне от 540 до 575 нм.

По материалам АНИ " ФИАН-информ "

***

Впервые измерена задержка между гамма- и радиоизлучением струй активных галактик

Всплески радиоизлучения ядер активных галактик "отстают" по времени от вспышек, регистрируемых в гамма-диапазоне. Такая задержка составляет величину от одного до восьми месяцев, полагают А.Б. Пушкарев (Украина), Ю.Ю. Ковалев (Россия) и M.L. Lister (США). Результаты их исследований, позволившие более точно локализовать область генерации гамма-излучения активных галактик, опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters. Один из авторов - старший научный сотрудник Астрокосмического центра ФИАН, кандидат физико-математических наук Юрий Юрьевич Ковалев - комментирует работу.

Международной группе ученых впервые удалось измерить запаздывание радиоизлучения ядер активных галактик от их гамма-излучения. Зарегистрированные всплески радиоизлучения на частоте 15 ГГц, исходящие от компактных областей, близких к центральной сверхмассивной черной дыре, поступают с задержкой от одного до восьми месяцев по отношению к вспышкам, обнаруженным в гамма-диапазоне.

Угловое разрешение космического гамма-телескопа (минуты дуги) не позволяет с высокой точностью локализовать источник излучения. Совместный анализ данных гамма- и радиодиапазонов позволил уточнить положение области, где происходит генерация гамма-излучения, и ассоциировать ее с зоной ускорения частиц в выбросах. Эта область прозрачна для гамма-излучения, но непроницаема для радиоволн из-за эффекта синхротронного самопоглощения. Расположена она между черной дырой и областью, от которой зарегистрировано радиоизлучение.

В результате авторами был рассчитан размер зоны самопоглощения - он составил несколько парсеков, что согласуется с известными независимыми оценками.

Эти результаты основаны на наблюдениях, выполненных с помощью радиоинтерферометра VLBA (система апертурного синтеза VLBA Национальной Радиоастрономической обсерватории США, состоит из 10 радиотелескопов, расположенных в Северной Америке, а также на Гавайских и Вирджинских островах) и космической гамма-обсерватории Fermi.

По материалам АНИ " ФИАН-информ

***

Трансгенные козы станут "поставщиками" уникальных препаратов

Высокие диетические свойства козьего молока хорошо известны. И аллергию не вызывает, и витаминами да микроэлементами богато, и усваивается куда лучше коровьего... Однако не так давно белорусские и российские ученые заявили, что выращенные ими козы способны давать и вовсе волшебное молоко. Препараты, которые предполагается из него получать, якобы смогут в разы сократить смертность от инфаркта миокарда, вылечат младенцев от опасного гастроэнтерита, помогут онкологическим больным. Плюс максимально близкие к человеческому молоку смеси для искусственного вскармливания и лечебная парфюмерия нового уровня. А все потому, что привили обычной козе человеческий ген, ответственный за выработку белка лактоферрина.

Получить уникальный природный материал искусственным путем удалось благодаря тесному научному взаимодействию.

Сотрудники Института биологии гена РАН разработали так называемую генную конструкцию и вживили ее мышам, в результате в их молоке появился человеческий лактоферрин. Затем россияне объединили усилия с белорусскими коллегами, работавшими с козами. Так и появилась первая союзная программа "БелРосТрансген". Обычным козам делали полостные операции, вживляя с помощью генной инженерии человеческий белок.

Из без малого трех сотен экспериментов удачными оказались всего несколько. Так на свете появились два козленка - Лак 1 и Лак 2, способные, как оказалось, не только наследовать, но и передавать потомкам ценнейшие качества.

В прошлом году они подросли и стали отцами целого козьего стада, насчитывающего сотни животных.

Затем и те дали потомство. Но лишь у части козочек в молоке оказался человеческий лактоферрин - это показали исследования, проведенные в Москве. У рекордисток его содержится до 6 граммов на литр. Говорят, за границей за каждый грамм готовы выложить до 2 тысяч долларов.

Однако, по мнению первого заместителя директора Научно-производственного центра по животноводству НАНБ Ивана Шейко, впереди еще немало работы, поскольку эксперимент находится в стадии развития. Предстоит закупить высокопродуктивный породистый скот, отработать технологии получения животных-трансгенов, выделения лактоферрина, производства лечебных препаратов. Потом начнутся всевозможные испытания - на все уйдет минимум пять лет. И, конечно, понадобятся немалые средства.

На выполнение второй трансгенной программы из союзного бюджета выделяется 500 миллионов российских рублей - в десять раз больше, чем на первую. Треть этой суммы будет использована в Беларуси, остальные средства - в России, где от чистых исследований также переходят к этапу практического использования уникальных результатов, полученных с помощью генной инженерии.

"Союз. Беларусь-Россия" Владимир Яковлев, Минск - Москва

***

До недавнего времени считалось, что все нановискеры групп III–V (кроме азотсодержащих) формируют при кристаллизации кубическую структуру. В ходе нескольких экспериментов выяснилось, что структура может быть и гексагональной – с основанием в виде шестиугольника. Это открытие способствовало увеличению интереса к нитевидным нанокристаллам. С одной стороны, такая структура нестабильна, она может отрицательно сказываться на качестве выращиваемых материалов, а с другой – гексагональные кристаллы групп III–V изучены мало, поэтому стоит ожидать открытия новых перспективных свойств этих материалов. В любом случае прежде всего необходимо выяснить, какие условия синтеза отвечают за образование кубической или гексагональной кристаллической решётки нановискера.

Сотрудники Санкт-Петербургского академического университета и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН давно занимаются этой проблемой. На днях в «Журнале технической физики» появилась статья, в которой Владимир Дубровский и его коллеги описали разработанную ими модель роста и структуры нитевидных нанокристаллов. Работа выполнена при поддержке РФФИ, Президиума РАН и Министерства образования и науки РФ.

Учёные рассмотрели наиболее распространённый механизм роста нановискеров: «пар–жидкость–кристалл». При этом методе выращивания пары необходимого вещества осаждаются на подложку в виде капли, после чего она застывает, формируя однородную структуру. Поверхности роста часто активируют металлическими каплями катализатора, в роли которого используется золото. Тогда нанокристалл растёт под этой каплей, и после застывания выглядит как стержень с золотой шляпкой наверху. Размеры кристалла зависят от количества вещества, оседающего на подложку, на которой он растёт.

Модель, разработанная петербургскими физиками, учитывает не только последовательный переход атомов из газообразного состояния в жидкое и затем в твёрдое, но и другие процессы, такие как непосредственное осаждение газа на поверхности кристалла и диффузию адсорбированных атомов (адатомов) с поверхности подложки в формирующийся кристалл. Модель позволяет рассчитывать вероятность образования кубических и гексагональных кристаллов в зависимости от условий осаждения, свойств подложки и насыщенности газообразной среды. Как установила эта же группа исследователей в 2009 году, важнейший фактор, влияющий на структуру кристалла, – его поперечный размер.

Нитевидные нанокристаллы диаметром до 50–70 нанометров растут в кубической фазе, а большего – в гексагональной. Исследователи отмечают, что модель может использоваться для прогнозирования роста кристаллов при работе с разными методиками осаждения.

***

Инновационная технология управления выпадением осадков

В последние годы природа преподносит человечеству все больше и больше сюрпризов. В конце 2010 года аномальный «ледяной дождь» атаковал Москву и Подмосковье. Это породило целую череду проблем – жители Подмосковья оказались без электричества за несколько дней до новогодних праздников; было сильно осложнено движение пригородных электричек, которые пришлось заменять тепловозами; обрывы проводов привели к обесточиванию крупных объектов экономики, на восстановление подачи электричества понадобилось более суток. Выходом из сложившейся ситуации могли бы стать инновационные технологии, основанные на известных электрофизических принципах. Например, технология управления выпадением осадков из кучево-дождевых облаков и нейтрализации электрической активности грозовых облаков с использованием микроволновых разрядов, разработанная учеными и инженерами ФГУП «Московского радиотехнического института Российской академии наук» под руководством Кирилла Викторовича Ходатаева.

ФГУП «Московского радиотехнического института Российской академии наук» (ФГУП «МРТИ РАН») является одним из ведущих в мире научных центров по созданию крупных электрофизических и радиотехнических комплексов, в том числе и специального назначения, для исследований по радиофизике, физике высоких энергий, физике пучков и физике плазмы.

Огромную роль в формировании кучево-дождевых и грозовых облаков играют центры конденсации, к которым «прилипают» положительные и отрицательные ионы. Если в процесс развития облака на ранней стадии вмешаться и увеличить количество центров конденсации, то процесс созревания облака можно ускорить. На этом принципе работает традиционная технология, когда в облаке распыляют большие количества ультрадисперсного порошка – цемента, йодистого серебра и т.п. Однако намного эффективнее было бы увеличить число заряженных центров конденсации. В этом случае с помощью электрических разрядов различной физической природы можно быстрее перевести кучево-дождевое облако в стадию, когда оно само начинает генерировать заряды. Эта задача может быть решена путем создания в облаке на ранней стадии его развития искусственных электрических разрядов. В этом отношении наиболее технологичны СВЧ-разряды.

Важным преимуществом микроволновых разрядов является возможность их дистанционного создания. При этом необходимая техника давно и хорошо развита, например, для решения задач радиолокации. И здесь можно опираться на имеющийся в инженерной практике опыт.

Микроволновые разряды в объеме облака могут генерироваться, например, с дистанционно управляемого летательного аппарата, на борту которого размещено соответствующее оборудование и антенные устройства для формирования электромагнитного пучка с необходимыми параметрами. Существующие аппараты имеют достаточную для этого грузоподъемность, энерговооруженность, высоту и автономность полета. В импульсном режиме работы микроволнового генератора средняя мощность, потребляемая от бортовой сети, не будет превышать нескольких киловатт.

Технология, разработанная учеными и инженерами ФГУП «Московского радиотехнического института Российской академии наук», имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными способами управления выпадением осадков:

1) не требуется расходных материалов, некоторые из которых (цемент) заметно ухудшают экологическую обстановку в зоне применения (расход цемента до 15 тонн/км2);

2) отсутствует необходимость в тяжелых транспортных самолетах для доставки реагентов, что позволяет сэкономить значительные финансовые средства;

3) технология не ограничена в применении, как это происходит в случае с традиционными методами, позволяющими стимулировать выпадение осадков только из облаков, находящихся в стадии зрелости;

4) учитывается роль электрических процессов в атмосфере, что значительно повышает эффективность предлагаемой технологии;

5) не оказывается отрицательного влияния на окружающую среду и ее обитателей, так как в основе технологии лежат принципы естественного образования облаков.

Некоторые компании по организации мероприятий предлагают клиентам заказать «солнечную погоду» в радиусе 4–5 км и обещают солнце на все время заказа. Такое «чистое небо» стоит примерно 100 тыс. рублей в час. Инновационная технология управления выпадением осадков ФГУП «МРТИ РАН» не требует особых условий эксплуатации и создания специальных самолетов, что заметно снижает стоимость работ.

Ходатаев Кирилл Викторович – начальник отдела физики плазмы ФГУП «МРТИ РАН», член экспертного совета Высшей Аттестационной Комиссии Российской Федерации, награжден двумя знаками отличия «Ветеран атомной энергетики и промышленности» и «Почетный радист России», имеет ряд медалей, доктор физико-математических наук, профессор.

Источник: ФГУП «Московский радиотехнический институт РАН»

©РАН 2020