Область применения: 1) мощный эталонный источник вшироком диапазоне спектра (ВУФ, Рентгеновский); 2) лазеры в микронном и выше диапазоне; 3) применение в физике, химии, биологии и т. д.
Большой интерес представляет синхротронное излучение космических объектов, в частности, нетепловой радиофон Галактики, нетепловое радио- и оптическое излучение дискретных источников (сверхновых звезд, пульсаров, квазаров, радиогалактик). Синхротронная природа этих излучений подтверждается особенностями их спектра и поляризации. Согласно современным представлениям, релятивистские электроны, входящие в состав космических лучей, дают синхротронное излучение в космических магнитных полях в радио-оптическом, а возможно, и в рентгеновском диапазонах. Измерение спектральной интенсивности и поляризации космического синхротронного излучения позволяют получить информацию о концентрации и энергетическом спектре релятивистских электронов, величине и направлении магнитных полей в удаленных частях Вселенной.
Синхротронное излучение (СИ) в последнее время стало важнейшим инструментом исследования свойств вещества. Во всем мире создаются центры по использованию синхротронного излучения, строятся дорогостоящие источники. В 1999 году в Москве, в Российском научном центре «Курчатовский институт» начал функционировать источник синхротронного излучения ? накопитель электронов на 2,5 ГэВ (и это дополнительно к шести уже действующим в России источникам — синхротронам и накопителям в Москве, Новосибирске и Томске). Синхротронное излучение используется сегодня практически во всех областях современной науки, где изучается взаимодействие электромагнитного излучения с веществом.
Применения синхротронного излучения. Основными областями спектра, в которых наиболее эффективно применяется СИ, являются вакуумная ультрафиолетовая, мягкая рентгеновская и рентгеновская области. Именно в этих областях СИ имеет наибольшее преимущество перед другими источниками. Исследование в области ВУФ и мягкого рентгена дают очень важную информацию для понимания электронной структуры твердого тела. Существенный прогресс в этой области стал возможен благодаря, с одной стороны, применению СИ, с другой ? теоретическим расчетам зонной структуры. Теоретический расчет дает дисперсию энергии от волнового вектора и приведенную плотность состояний в зависимости от энергии.
Использование СИ для исследования спектров твердых тел позволило расширить спектральную область измерений и систематически исследовать переходы из внутренних состояний остова, являющихся плоскими в пространстве квазиимпульса. Исследование таких переходов позволяет получить дополнительную информацию о структуре зоны проводимости.
С поглощением в рентгеновской области связан успешно развиваемый метод измерения протяженной тонкой структуры рентгеновского поглощения ЕХАFS. Метод ЕХАFS основан на измерении с высоким разрешением тонкой структуры в коэффициенте поглощения при энергиях на сотни электрон-вольт выше К-края поглощения исследуемого атома. Модуляция поглощения вызвана интерференцией электронной волны, излученной возбужденным атомом, и волн, отраженных соседними атомами. Метод позволяет определить взаимное расположение атомов в твердом теле с точностью до 10–10 см. Этот метод применяется и для исследования поверхности.
Разработана модификация метода, в которой для получения информации о структуре ЕХАFS используются спектры возбуждения люминесценции. Этот вариант метода, развитый итальянским физиком А. Бьянкони, позволяет исследовать структуру кристаллов и биологических объектов, обладающих люминесценцией. Необходимость применения СИ для исследования люминесценции вызвана тем, что в качестве оснований люминофоров применяются, как правило, широкозонные кристаллы. Характерный для этих кристаллов электронный спектр лежит в вакуумной ультрафиолетовой области (5–50 эВ). Именно в этой области ? области фундаментального поглощения ? проявляются межзонные переходы валентных электронов, экситоны и плазмоны. Для понимания механизма возбуждения люминофоров особенно важны и более высоко энергетические возбуждения люминесценции кристаллофосфоров при энергиях, во много раз превышающих ширину запрещенной зоны. В этом случае возбуждаются уже переходы электронов из внутренних оболочек образующих кристалл атомов. Понимание процессов возникновения и миграции этих высокоэнергетических возбуждений к центру свечения является фундаментальной задачей люминесценции кристаллофосфоров. При этом важную роль играют механизмы размножения элементарных возбуждений. При поглощении фотонов с энергией, большей двух или более ширин запрещенной зоны, в результате распада созданных непосредственно в момент поглощения высокоэнергетических электронных возбуждений каждый фотон генерирует в кристалле более одного электронного возбуждения меньшей энергии. Положение границы начала процесса размножения электронно-дырочных пар связано с отношением эффективных масс электрона и дырки и меняется для разных кристаллов от 2Еg до 4Еg.
Высокая яркость источников СИ позволяет проводить спектроскопические исследования с экстремально высоким спектральным разрешением при более коротких экспозициях. Использование поляризационных свойств СИ позволяет исследовать пространственную анизотропию объектов. Исследование поглощения и флюоресценции газов и паров несет информацию о строении внутренних оболочек атомов. Исследование молекулярных спектров с помощью СИ позволяет получить информацию о процессах фотоионизации и фотодиссоциации в молекулярных системах. При этом удается зарегистрировать спектры поглощения молекул с предельным разрешением.
Наряду с многочисленными применениями СИ в научных исследованиях есть ряд работ, имеющих важное прикладное значение, в частности, применение СИ в микролитографии. В последнее время американская фирма IВМ провела ряд исследований, показавших большие преимущества применения СИ в микролитографии для получения элементов микросхем. Стоимость специализированных источников СИ (накопителей электронов) довольно высокая: накопитель на 700 МэВ стоит порядка 20 млн долларов, однако качественное улучшение параметров микросхем и резкое повышение производительности в значительной мере окупают затраты на такой источник. Разрабатываются и другие применения СИ, имеющие прикладное значение. Мощность СИ можно использовать для фотосинтеза углеводородов, окисей азота и др. СИ можно использовать для исследования радиационного воздействия на материалы и приборы вне атмосферы, что очень важно для космического материаловедения. Рентгеновское монохроматизированное СИ может найти применение в рентгенодиагностике, что позволит на порядки снизить радиационную нагрузку на человека при рентгеновском обследовании. Возможно применение СИ в радиационной технологии и радиационно-химических процессах. В последнее время наблюдается бурное развитие работ по применению СИ и в науке, и в технике.
Конец формы
|
|
Из наиболее многообещающих применений СИ в современной медицине следкет назвать прежде всего ангиографию - оперативную рентгеноскопию состояния кровеносных сосудов пациента. Рентгенодиагностика с применением синхротронного излучения и новых эффективных детекторов, например, запоминающих экранов, позволяет существенно снизить радиационные нагрузки на пациента. Другое, не менее важное применение - анализ элементного состава медицинских препаратов, т.е. неразрушающий контроль и сертификация медикаментов а уровне чувствительности к малым (вредным в том числе) примесям, недоступным для других методов. На снимке - коронарная артерия человека с бляшкой и тромбами.
|
|
|
Яркий (интенсивный) пучок СИ можно использовать в качестве "микрорезца" для размерной обработки материалов и изготовления различных деталей, механизмов и увтройств микроскопических размеров. Это так называемый LIGA - процесс, активно развиваемый сегодня. Типичный размер изделий, изготавливаемых по этой технологии, порядка нескольких микрометров, что и определяет первую из возможных областей применения: медицина, механические устройства, поддерживающие жизнедеятельность организма (насосы в кровеносной системе, например! ). Подобная техника, находящаяся сегодня на стадиии лабораторных разработок, получит интенсивное развитие в ближайшее десятилетие.
|
|
|
Технология рентгеновской литографии на основе СИ - нанесение на поверхность кристалов проводящих покрытий заданной конфигураци - позволяет на один-два порядка уменьшить размеры нынешних элементов электронных схем. Это дает возможность резко увеличить быстродействие вычислительной техники. В недалеком будущем будут исчерпаны воозможности современных субмикронных технологий и произойдет переход на нанометровый уровень ("нанотехнологии"). Сегодня подобные разработки ведутся на источниках СИ передовыми электронными фирмами мира (IBM и другие).
|
|
|
Внимание!
Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к
профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные
корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.
Методы рентгеноструктурного и элементного анализа на основе СИ находят сегодня широкое применение в разработке новых материалов. Уровень чувствительности и быстродействия анализа на основе СИ позволяет вывести разработку новых материалов но уровень, недостижимый для традиционых методов. СИ также используется при разработке новых эфективных люминесцентных детекторов, в частности, сцинтиляторов. Для получения полимерных материалов с заданными свойствами необходимо эффективно влиять на процессы их формирования. Процессы эти идут очень быстро, и, чтобы управлять ими, нужно непрерывно получать подорбную информацию. СИ позволяет исследовать кинетику структурных превращений при полтмеризации, информацию о структуре можно получить за доли секунды.
|
|
|
Высокочувствительные методы элементного (рентгенофлуоресцентного) анализа на основе СИ, развитые сегодня , позволяют выйти на качественно новый уровень контроля состояния окружающей среды. При этом решается проблема точного измерения концентрациималых примесей элементов "всей таблицы Менделеева". С помощью СИ удается регистрировать концентрацию элементов на уровне 10-8 атомов примеси на атом. Эти методы позволяют осуществить, в частности, анализ состава аэрозолей, осадков и примесей воды для экологического мониторинга. Яркий, коллимированный и стабильный пучок синхротронного изхлучения, который при необходимости можно настроить на любую длину волны, позволил создать рентгеновскую микротомографию. С его помощью можно получать микроскопические изображения поперечных срезов небольших образцов. Достигаемое при этом разрешение составляет чуть больше 1 мкм (миллионная доля метра) - это в 1000 раз лучше, чем для обычных томографов. На снимке: изображение оболочки бактерии с отложениями железа, ширина поля изображения около 5 мкм.
|
|
|
Современные яркие источники СИ дают возможость резко продвинуться на нескольких направлениях в биологии. Одним из первых таких направлений стал рентгеноструктурный анализ белков, а пионерские работы были выполнены группой исследователей из ИАЭ (РНЦ "Курчатовский институт") и ИТЭБ РАН (Пущино) на накопителе ВЭПП-3 в ИЯФ СО РАН еще в 70-х годах. Сегодня эти методы в значительной мере определяют развитие генетики, генной инженерии, биотехнологий. Кроме применений СИ в этой области, синхротронное излучение предполагается исползовать для широкого круга исследований: изучение таких объектов, как мышечные волокна, включая динамику структурных перестроек живых объектов ("рентгеновское кино") кристаллография белка и исследованиея структуры органических молекул; динамика белков, структура активных центров белков и различных биокатализаторов, микрохирургия и фототерапия. На снимке: молекулярная структура нуклеосомы |
медицина
- В России есть база для проведения подобных исследований и разработок?
- Раньше моим институтским коллегам приходилось проводить эксперименты на западных ускорителях, а сейчас мы активно начинаем исследования на недавно введенном в эксплуатацию и первом на постсоветском пространстве специализированном источнике синхротронного излучения в Курчатовском научном центре. Почти все исследовательское оборудование было изготовлено в КБ нашего института. Это техника высокого уровня, полностью совместимая с западными стандартами. Теперь мы надеемся оживить и второй центр в Зеленограде, строительство которого было заморожено в конце восьмидесятых.
Нанотехнологии - это та междисциплинарная область, где у России есть серьезные конкурентные возможности. Только американцы и мы имеем столь разветвленную науку, основанную на широкой междисциплинарной базе, это заметно даже на фоне Европы. И в этом смысле выборка, база междисциплинарная, у нас уникальная. Мы сейчас можем найти любого специалиста, к примеру, по молекулярной биологии или химическому синтезу. Это относится к области синтеза новых типов молекул и их комплексов, а также к их структурной диагностике и практическому использованию. У нас есть оригинальные разработки по молекулярной эпитаксии и биоорганическим слоям. Есть и институты, и люди, имена которых у всех на слуху. Короче говоря, для того чтобы с выгодой поучаствовать в "новом синтезе", у нас есть все предпосылки.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему