RIATOMSK.RU
+5°C
29 марта 2024  |  
14:45
  |  
+5°C
12:25  2 мая 2018 г.

Подсчет квантов: томский детектор "покажет" атомы и звезды изнутри

Тайлашева Елена Владимировна
© предоставлено пресс-службой Томского госуниверситетаПодсчет квантов: томский детектор покажет атомы и звезды изнутри

ТОМСК, 2 мая – РИА Томск, Елена Тайлашева. Детекторы, разработанные в Томском госуниверситете (ТГУ), установят на первом рентгеновском микроскопе, который строится в Германии; он позволит рассмотреть, что происходит на уровне атомов, а воспроизвести "картинку" помогут томские детекторы. В 2017 году только для этого проекта их поставили на 300 тысяч евро. Как высокотехнологичная наука стала прибыльной – в материале РИА Томск.

Как разглядеть молекулы и атомы

Современные микроскопы позволяют изучать объекты  размерностью, равной длине волны излучения видимого света. Она составляет примерно один микрометр (одна тысячная миллиметра). Чтобы увидеть более мелкие частицы, нужно их специальным образом "подсветить".

Как объясняет заведующий лабораторией функциональной электроники ТГУ профессор Олег Толбанов, роль такой  "подсветки" играет синхротронное излучение.

"Длина волны синхротронного излучения – одна десятая ангстрема (0,00000001 миллиметра), то есть объекты приблизительно такого размера можно исследовать. А что такое 0,1 ангстрема? Это размеры мельчайших молекул или очень крупных атомов. Такой суперсовременный микроскоп создается сейчас в Германии, в электрон-синхротронном центре DESY, одном из мощнейших в мире. В 2020 году должны начаться эксперименты", – говорит Толбанов.

Это, конечно, будет не настольный прибор, а огромная сложная система стоимостью 1,5 миллиарда евро, сердце которой – линейный ускоритель электронов, занимающий целый тоннель под землей.

В нем электроны ускоряются до очень высокой энергии – 17,5 гигаэлектронвольта, затем специальные ондуляторы преобразуют ее в синхротронное, или рентгеновское когерентное излучение. "Когерентное – это значит, что кванты имеют одну и ту же длину волны излучения либо одну и ту же энергию", – поясняет Толбанов.

Но создать излучение – это еще половина дела…

© предоставлено Олегом Толбановым
Линейный ускоритель электронов

Что для этого сделали томичи

"Для снятия "картинки", полученной с помощью рентгеновской подсветки, нужны детекторы – специальные приемники синхротронного излучения, которые эту информацию в режиме счета единичных квантов, то есть единичных "порций" энергии, воспроизводили бы в виде импульсов электрического тока. А дальше специальная аппаратура усиливала бы их, оцифровывала и воспроизводила на мониторе компьютера в фильмовом варианте", – говорит ученый.

Аппаратура для преобразования электрических импульсов существует, а вот быстродействующих квантово-чувствительных детекторов, которые бы работали в нужном энергетическом диапазоне, в мире не было – до тех пор, пока их не сделали в Томске.

© предоставлено пресс-службой Томского госуниверситета
Около 40 лет назад радиофизики НИИПП и СФТИ под руководством профессора Станислава Хлудкова занялись модификацией свойств арсенида галлия и получили новые свойства полупроводниковых материалов. Разработка непосредственно детекторов началась с 1993 года, группу возглавил Олег Толбанов.

"Синхротронное излучение имеет вполне определенную частоту, или энергию квантов. Мы создали материал, который чувствителен к единичным внешним воздействиям и позволяет регистрировать единичные кванты рентгеновского излучения", – рассказывает Толбанов.

Он отмечает, что технология довольно сложная: "Мы внедряем один атом хрома на миллион атомов галлия и мышьяка. Вводим в нужное место – и свойства такого материала существенно меняются. Так, способность проводить электрический ток уменьшается в 10 миллиардов раз!".

Функции детектора условно можно сравнить с цифровым фотоаппаратом.

"Фотоаппарат сжимает картинку и проецирует на приемную часть в виде сжатого изображения. При воспроизведении это изображение снова нужно развернуть на полный экран. Сам аппарат не позволяет этого делать, а позволяет схема, которая работает с этим аппаратом. Вы вставляете USB-кабель и смотрите изображение на компьютере. Вот примерно то же самое с нашими детекторами – только в других масштабах и диапазоне энергий", – говорит ученый.

Причем картинка получается цветной – в отличие от существующих на рынке аналогов, которые воспроизводят лишь черно-белое изображение.

© предоставлено Олегом Толбановым
На создание одного большого детектора требуется три месяца, малого – один. Все производство находится в Томске. Часть процесса проходит в особо чистой комнате, куда доступ имеет один-единственный сотрудник. При работе он одевается в специальный скафандр.

Конкурентами томской разработки Толбанов называет в основном японские фирмы, у которых есть полупроводниковый материал теллурид кадмия (CdTe). Но он чрезвычайно капризный и дорогой – дороже томского в десятки раз.

"По физическим свойствам японский материал также нам проигрывает, так что рынок предпочитает именно наш материал. Это то направление, по которому мы действительно впереди планеты всей", – подчеркивает ученый.

Для одного только проекта в DESY радиофизики ТГУ планируют изготавливать три-пять детекторов большой площади и три-четыре малой в год, в 2017 году объем поставок составил 300 тысяч евро. В целом за год лаборатория функциональной электроники ТГУ заработала почти 10 рублей на каждый рубль бюджетного финансирования.

Что могут квантовые детекторы

Сейчас томские детекторы используются в ведущих научных центрах мира для проведения современных экспериментов по физике.

"В синхротронных центрах (их в мире 59, два из них в России, а самый мощный – в Гренобле) ставятся эксперименты при очень высоких давлениях и очень высоких температурах. Таким образом моделируются процессы, происходящие в недрах Земли, в недрах звезд. И наши детекторы используются в том числе и для выполнения таких экспериментов", – говорит Толбанов.

Разработка томских радиофизиков позволяет решать проблемы цифровизации изображений в рентгеновских и гамма-лучах.  Например, их коллеги из Объединенного института ядерных исследований (Дубна) купили американо-новозеландский микротомограф, вытащили оттуда кремниевые детекторы и заменили их на томские.

А во Фрайбургском университете (Германия) в сотрудничестве с томичами сделан новый рентген-аппарат. Толбанов показывает полученный с помощью него снимок головы мыши, где четко "прорисованы" твердые и мягкие ткани, кровеносные сосуды и даже видна какая-то точка, возможно, опухоль.

"Медики смотрят на это изображение и говорят: "Это томография?" Когда узнают, что это просто проекционный снимок, удивляются. Эксперименты пока идут только на мышах, но это всего лишь вопрос времени, когда такие технологии дойдут до людей", – отмечает ученый.

© предоставлено Олегом Толбановым
Рентген-снимок головы мыши


Наверх
Сайт РИА Томск /riatomsk.ru/ содержит информацию, подготовленную Региональным информационным агентством "Томск" (РИА Томск) с территорией распространения – Российская Федерация, зарубежные страны.
РИА Томск зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 06 ноября 2019 г. Свидетельство о регистрации ИА № ФС 77-77122.
Настоящий ресурс может содержать материалы 18+. Материалы, размещенные на правах рекламы, выходят под знаком "#" и/или "реклама". РИА Томск не несет ответственности за партнерские материалы.
Рейтинг@Mail.ru
Яндекс.Метрика
ЧИТАЙТЕ
РИА в VK
Главные новости дня в нашей рассылке