Текст книги "Юный техник, 2010 № 10"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

СОЗДАНО В РОССИИ
Лазер на свободных электронах

Лазер из уникального прибора в наши дни стал вполне обыденным – вспомним хотя бы о лазерных указках. А ученые продолжают создавать новые виды лазеров для решения порой весьма специфических задач. Один из таких необычных лазеров – на свободных электронах – разработали в новосибирском Институте ядерной физики (ИЯФ) РАН им. Г.И. Будкера. Вот что рассказали об этой уникальной установке заместитель директора института академик Геннадий Николаевич КУЛИПАНОВ и его коллеги.

Для начала вспомним, что английское слово laser– это сокращение, составленное из первых букв фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(усиление света с помощью индуцированного излучения).

Так был назван квантовый генератор – прибор, в котором осуществляется генерации электромагнитных волн строго одной длины оптического диапазона.

Первые квантовые генераторы были созданы в 1954–1955 годах Н. Г. Басовым и A.M. Прохоровым в СССР, а также Ч. Таунсом и его коллегами в США. За что создатели и были удостоены Нобелевской премии.

Принцип работы лазера в самом упрощенном виде таков. Представьте себе трубку, торцы которой герметично закрыты с одной стороны непрозрачным, а с другой – полупрозрачным зеркалом. Трубка заполнена, например, ионизированным газом. Если поместить эту трубку в электромагнитное поле, с помощью которого мы будем, как говорят физики, накачивать ионизированный газ дополнительной энергией, то вскоре он начнет светиться, поскольку из него начнут выделяться возбужденные фотоны. Они будут метаться между зеркалами до тех пор, пока их энергия не станет настолько большой, что они смогут преодолеть полупрозрачную преграду. И тогда из трубки вырвется ослепительный нерасходящийся луч.

Лазерные комплексы все шире используются в науке и промышленности.

В настоящее время существуют лазеры, отличающиеся друг от друга тем, что среда, в которой происходит преобразование, или «накачка», энергии, может быть газом, жидкостью, полупроводником, кристаллом. Отсюда и названия: газовые лазеры, жидкостные, полупроводниковые, твердотельные… Кроме того, лазеры могут давать как непрерывное, так и импульсное излучение, быть более и менее мощными, использоваться для самых различных целей – зондирования атмосферы, сигнализации, связи и т. д.

Квантовые генераторы могут также, кроме видимого света, давать излучение самой различной длины волны – от жесткого гамма-излучения до радиоволн. Не используемыми какое-то время оставались миллиметровая и субмиллиметровая области. Вопрос об их освоении встал сразу после Второй мировой войны, потому что излучение этого диапазона можно использовать в оборонных целях.

Изучением перспективного диапазона занимались нобелевские лауреаты, академики A.M. Прохоров и В.Л. Гинзбург. Они отметили, что у обычных лазеров есть недостаток – фиксированная либо изменяемая в небольших пределах длина волны излучения. Используя такой прибор, ученый или инженер вынужден «подстраиваться» под этот спектр, что ограничивает и область исследований, и выбор технических устройств. Поэтому многим специалистам очень хотелось бы иметь генератор, у которого можно было бы в широких пределах изменять частоту излучения. Кроме того, хорошо бы иметь в своем распоряжении столь мощный пучок излучения, чтобы em можно было использовать подобно гиперболоиду инженера Гарина, описанному в романе А. Толстого.

Для работы обычного лазера, как уже говорилось, необходимо какое-нибудь вещество, которое возбуждается, «накачивается» энергией. Для особо мощных лазеров, как установили наши ученые, удобнее всего использовать пучок электронов, движущийся в ондуляторе – особом устройстве, представляющем собой специальную отклоняющую систему, заставляющую электронный пучок «колебаться» внутри активного объема. Изменяя параметры пучка, можно менять по своему усмотрению длину волны излучения в очень широких пределах.

Единственный недостаток такого устройства – большие размеры. Например, лазер в Новосибирске занимает площадь более 100 кв. м. Зато мощность его излучения – 500 Вт. Других источников когерентного субмиллиметрового излучения такой мощности в мире больше нет.

Схема лазерного комплекса на свободных электронах:

_{1– рабочие станции; 2– ускорительное кольцо; 3– источник излучения.}

Схема разгона лазерного пучка в активном объеме.

«Мы выбрали субмиллиметровый участок спектра в основном из экономических соображений, – объяснил академик Г.Н. Кулипанов. – Скажем, рентгеновский лазер на свободных электронах стоил бы миллиард долларов, таких денег у нас не было. А вот установку в миллиметровом диапазоне (от 5 до 200 микрон) мы смогли построить, затратив на это около 20 миллионов долларов».

Проект возглавил доктор физико-математических наук Николай Винокуров. Процесс создания нового лазера был довольно долгим. В середине 90-х годов XX века наши ученые сделали похожую, но менее мощную установку по заказу Южной Кореи. А на вырученные деньги решили построить мощный лазер на свободных электронах для себя.

«Многие коллеги не понимали тогда нашей затеи, – вспоминает академик Г.Н. Кулипанов. – Вместо того чтобы потратить полученные деньги на зарплату, мы расходовали их на создание дорогого оборудования. Но как показало время, наше решение оказалось верным.

Создав уникальный лазер, мы обеспечили интересной работой нашу молодежь. А кроме того, руководитель этого проекта Николай Винокуров был удостоен самой престижной награды нашей страны – Государственной премии Российской Федерации».

По словам самого лауреата, длина волны излучения может быть практически любой – от ангстрема до сантиметра – и плавно перестраиваться. Кроме того, теперь можно создавать лазеры с мощностью до нескольких мегаватт, использовать их для спектроскопии, лазерного разделения изотопов, передачи энергии на искусственные спутники Земли…

Первая очередь лазера на свободных электронах запущена в Сибирском центре фотохимических исследований в 2003 году. С помощью этого прибора уже ведутся эксперименты по абляции материалов, т. е. обработке их поверхности лучом с образованием плазмы. Кроме того, идут исследования органических и неорганических материалов и объектов. В частности, электронный луч за несколько фемтосекунд может сделать снимок белка.

В дальнейшем, убеждены ученые, микроскопия с помощью лазеров на свободных электронах позволит приблизиться к разрешению в 1 ангстрем (0,1 нм), что даст возможность получать изображения атомов и молекулярных структур.

Теперь наша лаборатория стала самым настоящим центром коллективного пользования; с нами сотрудничают 10 научных учреждений, причем не только из Сибирского отделения РАН, – сказал в заключение академик Г.Н. Кулипанов. – Наши потребители – не только физики, но и химики, биологи»…

Публикацию подготовил В. ЧЕРНОВ

Кстати…

ЛАЗЕР ДЛИНОЙ В… 300 КМ

Именно такое уникальное сооружение – самый длинный в мире оптоволоконный лазер длиной 300 км – создали сотрудники Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из университета Астон (Великобритания). Зачем он понадобился?

Ученые установили, что 300 км – это предельное расстояние, на которое оптоволокно позволяет распространяться с минимальными потерями излучению с длиной волны 1,5 микрона, пояснил замдиректора по научной работе института, заведующий лабораторией волоконной оптики Сергей Бабин. «При увеличении длины более 300 км свет практически не доходит до конечного зеркала из-за рассеяния на неоднородностях», – сказал он.

Применять сверхдлинные оптоволоконные лазеры ученые намерены для передачи информации на значительные расстояния без оптических усилителей, для повышения чувствительности и дальнодействия сенсорных систем.

Исследованиями в области волоконной оптики в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН занимаются с 2002 года. На счету института уже есть масштабные научные результаты. Например, здесь впервые в мире было достигнуто эффективное удвоение частоты волоконных лазеров с генерацией в сине-зеленом и желто-красном диапазонах, что очень важно для применения в биомедицине. Кроме того, созданы стабилизированные одночастотные лазеры для метрологии и сенсорные системы для энергетики.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ЧИТАТЬ КНИГУ, НЕ РАСКРЫВАЯ.Именно такой «фокус» позволяет проделать новая технология сканирования, над которой работают британские физики. Они создали первый образец сканера, который с высокой точностью отделяет один слой вещества от другого. Он способен, к примеру, отличить чистый лист от другого – исписанного чернилами или шариковой пастой.

А поскольку сканер еще и использует электромагнитные волны терагерцового диапазона, для которого многие предметы как бы прозрачны, то, по идее, новый сканер дает возможность постранично «считывать» текст и рисунки из закрытых книг и папок.

ЖЕНЩИНЫ-ПОДВОДНИЦЫ. Министерство обороны США разрешило женщинам служить в подводном флоте. Теперь это решение должен утвердить конгресс. В случае положительного заключения, в конструкцию подлодок придется внести ряд изменений – в частности, разделить женские и мужские жилые помещения и туалетные комнаты.

При этом предполагается, что команды подводных лодок будут смешанными, полностью женские команды формировать не предполагается.

Подобное решение продиктовано несколькими соображениями. Во-первых, в США, как и во многих других странах, все меньше мужчин полагает, что служба в армии будет для них хорошей школой жизни. Во-вторых, женщины в ряде случаев уже зарекомендовали себя лучшими операторами, связистками, компьютерщиками, чем мужчины. И наконец, в-третьих, комплектование смешанных экипажей в подводном флоте даст необходимый опыт для формирования экипажей будущих длительных космических экспедиций к иным планетам. Ведь они тоже, по всей вероятности, будут смешанными.

ЧЕМ ПЛОХ ЗАВИСТНИК?Кандидат психологических наук, ведущий научный сотрудник Социологического института РАН Куанышбек Муздыбаев (г. Санкт-Петербург) опросил 1400 человек, относящихся к различным социальным группам. Всем был задан один и тот же вопрос: завидуют ли они успехам бывших одноклассников или лотерейному выигрышу соседа?

Оказалось, существует три возрастных пика завистливости. В 18–24 года молодые завидуют тем, кто уже добился успеха. Два других всплеска этого чувства приходятся на 30–34 года, расцвет карьеры, и 55–59 лет – ее окончание, когда люди сравнивают свои успехи с достижениями сверстников.

Завистливость от пола человека практически не зависит. Зато во многом зависит от характера человека и от того, как сложилась его личная жизнь и карьера. Злостные завистники – чаще всего неудачники, которые сами не смогли добиться ни постов, ни званий. В силу этого они плохо относятся к окружающим, считая их агрессивными, циничными, эгоистичными, мстительными. Именно завистники часто становятся клеветниками и сплетниками. С их точки зрения, вполне приемлемы неуплата налогов, безбилетный проезд на транспорте, дача и получение взяток…

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
По следам Гулливера

Ученые в мире занимаются подчас самыми невероятными, казалось бы, вещами. Например, исследуют, почему щекотка вызывает смех или какова скорость воздушного потока при чихании. А вот физика Вернера Альбринга из Дрездена заинтересовал феномен, описанный в романе Дж. Свифта о приключениях Гулливера. В самом деле могут ли существовать на нашей планете лилипуты и гулливеры?

Для простоты примем средний рост человека за 1,75 метра, рассуждает ученый. Лилипута – в 10 раз меньше, то есть в 17,5 сантиметра, а великана в 10 раз больше – 17,5 метра. При этом будем полагать, что величина земного тяготения для всех примерно одинакова. Но все равно при изменениях линейных размеров объем и вес тела возрастают в кубе, а увеличение мышечной силы лишь в квадрате.

Отсюда получается, что вес великана возрос бы по сравнению с человеческими 75 кг в 100 раз, а сильнее он стал бы лишь в 10 раз. Наш богатырь не смог бы даже встать с постели. Таким образом, подобные великаны могли бы существовать лишь при совершенно других пропорциях тела. Это были бы существа с очень большим поперечным сечением костей скелета и мышц, опиравшиеся на тумбообразные слоновые ноги. В общем, существа, похожие не на человека, а скорее на ящера.

В то же время лилипут имел бы непропорционально длинные, очень тонкие «комариные» ножки, да и сам бы смахивал на насекомое. В то время как великан с великом трудом передвигал бы свое тело, лилипут мог стать вполне реальным эльфом. Приспособив небольшие крылья, он, используя лишь силу своих мышц, часами парил бы в воздухе.

А вот людям построить «махолет», приводимый в движение силой человеческих мускулов и способный летать часами, вряд ли удастся. Даже чемпионы могут летать на таких аппаратах не более 5–7 минут.

Так что, получается, ни мальчики с пальчик, ни Дюймовочки, ни могучие великаны на нашей планете существовать не могут. «Размеры тела предопределяют в большой степени характер и методы приспособления организмов к основным силам природы, – пишет Альбринг. – По этой причине лилипуты и великаны не могут быть подобны людям, а тем более друг другу»…

Кстати…

ЗАКОНЫ ФИЗИКИ ВЕРНЫ ДЛЯ ВСЕХ!

Работами академика В. В. Шулейкина и его сотрудников в свое время было также показано, что для водного животного с размерами меньше каких-то определенных, способ передвижения рыб становится нецелесообразным и заменяется движением типа веслоногих рачков.

А у птиц, например, при изменении размеров с автоматической неизбежностью меняются аэродинамические свойства и тем самым – объективно – возможности полета. Крошечные птички колибри, чтобы удержаться в воздухе, должны махать крыльями столь часто, что взмахи даже не видны глазом. В то же время огромные альбатросы и орлы способны часами парить в воздухе, не сделав ни единого взмаха.

В настоящее время можно считать доказанным, что увеличение или уменьшение тела любого живого существа, так же как и изменение среды, в которой оно движется, приводит к появлению у него новых свойств, полагают ученые.

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!
Кибервирусы и люди

То, что компьютерные вирусы опасны, объяснять никому не нужно. А вот о том, что они становятся опасны для людей, поговорить стоит.

Недавно британец Марк Гассен вживил себе под кожу микрочип, с помощью которого теперь может открывать цифровые замки, включать свет и управлять бытовыми приборами.

Более того, Гассен, как и некоторые другие специалисты, занимается разработкой устройства под названием «Персональный понимающий помощник» – Personal Awareness Assistant(РАА). По утверждению разработчиков, этот аппарат позволит человеку ничего не забывать.

Комплект состоит из мини-компьютера, крохотной фотовидеокамеры и двух беспроводных микрофонов, один из которых вставляется в ухо, а другой крепится на поясе. Компьютер можно использовать в качестве «резервной памяти», которая приходит на помощь своему хозяину в нужный момент. Например, услышав фразу «Приятно познакомиться», устройство автоматически сохраняет в памяти несколько секунд разговора.

В этот временной промежуток при разговоре, как правило, попадают имена и прочие нужные сведения, которые необходимо запомнить. Кроме того, «Помощник» делает фотографию собеседника. В итоге, владелец РАА получает краткое досье на нового знакомца.

Во всем этом нет, в общем-то, ничего особо удивительного, ведь еще несколько лет тому назад подобные эксперименты проводил британский профессор Кевин Уорвик.

Схема компьютерного микрочипа, вживляемого под кожу:

_{1– источник питания; 2– микрочип; 3– стеклянная ампула; 4– антенна.}

Мы уже рассказывали вам о том, как он вживлял себе, под кожу полупроводниковый микрочип (см. «ЮТ» № 12 за 1999 г.), превращаясь таким образом в этакого «электронного мага»: при его подходе к дверям лаборатории они сами собой распахивались, зажигался свет и компьютер приветствовал своего повелителя электронным голосом: «Добро пожаловать, профессор Уорвик!»

Однако Гассен вынужден был сделать следующий шаг.

Оказалось, что его микрочип заражен вирусом, да притом столь зловредным, что он стал распространяться во все приборы, с которыми контактировал хозяин микрочипа. В итоге Гессену пришлось вызывать экспертов по защите информации, которые и провели операцию по обезвреживанию зловредного кибервируса. А сам он теперь призывает всех пользоваться киберустройствами с осторожностью, соблюдая правила безопасности.

На том можно было бы и закончить наш рассказ, если бы мода на Active Skin– активную кожу – не продолжала распространяться среди молодежи. Идентификационные микрочипы VeriChip, которые предназначались сначала для домашних собак, теперь вживляют себе люди. Скотт Сильверман, глава компании Applied Digital Sollitici, производящей подобные имплантаты, еще семь лет тому назад начал кампанию по внедрению технологии VeriPay. Он уверяет, что мнкрочип, имеющий уникальный идентификационный номер, сможет заменить и удостоверение личности, и кредитку. Причем ни то ни другое нельзя случайно потерять, да и украсть весьма затруднительно.

Но Сильверман не учел, что предметом атаки хакеров теперь может стать и обладатель такого микрочипа. И если раньше воры крали просто кошельки из карманов и сумочек, то теперь они смогут делать то же самое дистанционно, с помощью компьютера и беспроводной связи.

Тем не менее, виднейший британский футуролог Ян Пирсон полагает, что прогресс не остановить. В скором будущем многие из нас будут пользоваться еженедельными видеотатуировками. Изображение на телесном мониторе может меняться в соответствии с вашим настроением и костюмом. Более того, передовые решения в области струйной печати позволяют печатать сложные полупроводниковые электрические схемы, а значит, можно безболезненно нанести на человеческую конечность целый компьютер. И таким способом можно организовать связь между человеческим телом и интернетоподобными информационными сетями. Человек сам станет частью Интернета.

Пирсон при этом опять-таки ничего не говорит о безграничных возможностях для контроля, открывающихся перед спецслужбами, а также перед хакерами – это уж само собой разумеется. Зато обстоятельно перечисляет всю кожную бытовую электронику, которую не придется прятать по карманам – мобильные телефоны, плееры, органайзеры. На предплечье, по мысли футуролога, удобно напечатать клавиатуру. Невидимая в нерабочем состоянии, она «проявится» лишь в нужный момент. Работа всех устройств будет отображаться наручным биополимерным дисплеем. Его же очень удобно использовать для просмотра телепрограмм.

К 2015 году, по мнению Пирсона, удастся прочно связать активную кожу с нервными окончаниями, что позволит записывать и затем воспроизводить тактильные ощущения. Стоит только один раз пощупать что-то в реальности, и можно будет точно скопировать и воспроизвести все нервные импульсы. «Активная технология кожи может сделать наше будущее весьма интересным и захватывающим», – полагает футоролог.

* * *

Дорогие друзья!

При подписке на следующее полугодие вы можете принять участие в конкурсе, организованном Межрегиональным агентством подписки, и выиграть поездку в любую страну мира или денежные призы и ценные подарки.

Чтобы принять участие в конкурсе, воспользуйтесь купоном, опубликованным на этой странице.

Подробнее о конкурсе подписчиков смотрите на сайте www.map-smi.ru .

КОНКУРСЫ
Как стать богатым?

Не секрет, что в наших магазинах косметики и хозяйственных товаров стало легче найти западную продукцию, чем нашу. Можно, конечно, огорчаться, что крупные косметические фирмы вытесняют российских производителей, но полезнее было бы изучить их опыт, чтобы не сдаваться без боя.

Недавно в стенах фундаментальной библиотеки МГУ были подведены итоги первого Всероссийского научного конкурса, который был организован Московским государственным университетом имени М.В. Ломоносова совместно с американской компанией Procter & Gamble.

Его участниками стали молодые ученые, специализирующиеся в сфере микробиологии и химии поверхностных явлений.

Для участия в конкурсе «Инновационная Инициатива 2009» исследователям необходимо было предоставить результаты своих разработок, рассказать о том, для чего они нужны. После нескольких туров отбора экспертный совет отобрал 9 наиболее интересных исследований.

Кому какое место присуждено, участники конкурса не знали до самого последнего момента. Поэтому, например, для моих соседей стало полной неожиданностью, когда первым подняли с места Александра Ершова, сотрудника Института биологии генов, и объявили, что он удостоен третьего места и премии в 1000 долларов за свои исследования антимикробного препарата микроцин Б17.

Вслед за ним настала очередь и другой моей соседки, Марии Новиковой из Института молекулярной генетики, которая за аналогичные исследования, но микроцина Ц, была удостоена первого места и премии в 3500 долларов.

А в промежутке на сцену из другого конца зала вызвали сотрудника Института биологического приборостроения Игоря Чмыря, который был удостоен второго места и премии в 2000 долларов за создание препарата для быстрой очистки поверхностей от всевозможных загрязнений, в том числе и нефтепродуктов.

После того как были названы лауреаты за работы по микробиологии, пришла очередь получать свои поздравления и премии специалистам в области химии поверхностных явлений.

Здесь первое место досталось уже достаточно зрелому исследователю Константину Попову, который много лет исследует равновесные растворы. Причем бывший выпускник МГУ успел поработать не только в ряде институтов нашей страны, но и в США.

Второго места была удостоена команда исследователей из Дальневосточного государственного университета, работающая под руководством Николая Шапкина над проблемой очистки вод от тяжелых металлов, микробов и прочих загрязнений с помощью адсорбентов на основе природных минералов цеолитов.

Приз за третье место получил москвич Михаил Вагин за создание метода быстрого тестирования белков на различных поверхностях.

Остальные участники финала из различных городов и учебных заведений страны были удостоены поощрительных призов. Кроме того, всем было обещано, что представленные работы будут рассмотрены отделом исследований и разработок компании Procter & Gambleна предмет последующего сотрудничества.

А стало быть – внимание! – их авторы могут рассчитывать на гранты для проведения дальнейшей работы, результаты которой достанутся американской фирме. Если бы она организовала такие исследования своими силами, они обошлись бы ей в миллионы долларов.

Лауреаты конкурса М. Новиковаи А. Ершов.

В заключение сопредседатель организационного комитета конкурса, доктор Крис Тун, и его коллега, генеральный директор P&Gпо региону Восточной Европы Мэтью Прайс, рассказали о самой компании, ее структуре, а главное – о том, каким образом ее сотрудники добились столь внушительных успехов на рынках 180 стран мира, имея общий ежегодный оборот в 79 млрд. долларов США.

Знать это полезно всем, кто интересуется бизнесом. Во-первых, сотрудники компании не действуют наобум.

Работу в каждой стране они начинают с того, что рисуют «портрет» своего главного босса, а именно – потребителя.

В России, например, основной покупатель – женщина в возрасте чуть больше 30 лет, имеющая мужа и 1–2 детей. Поскольку доходы жителей разных регионов нашей страны весьма отличаются – например, москвичи зарабатывают в среднем вдвое больше, чем, скажем, жители Воронежа, то представители компании в каждой области разрабатывают свою стратегию, определяют, какие товары предлагать потребителям в первую очередь.

Учитываются при этом и национальные привычки.

Скажем, жители Великобритании моют посуду, набрав в раковину горячей воды с моющим средством. Мы же привыкли мыть посуду под проточной струей, а моющее средство наносим лишь на губку для мытья посуды. А значит, и состав, и концентрация этого моющего средства для Англии и России должна быть различной.

Во-вторых, сотрудники компании прекрасно знают, что нельзя объять необъятное, а потому ограничивают сферу своих интересов. Компания продает продукцию лишь в 3 категориях: товары для ухода за красотой, товары для дома, товары для здоровья. Зато в этих категориях, благодаря умелой рекламе, они лидируют, имеют торговый оборот свыше 1 миллиарда долларов ежегодно только в России и странах СНГ.

Наконец, в-третьих, эксперты компании внимательно следят за тем, что делается в научном мире, не стесняются вступать в контакты с авторами перспективных разработок, приглашают их к сотрудничеству.

В частности, труды моих соседей, работающих под руководством известного во всем мире специалиста, доктора биологических наук К.В. Северинова, попали в их поле зрения потому, что во всем мире весьма остро стоит такая проблема. Болезнетворные микробы очень быстро приспосабливаются к антибиотикам, и те перестают на них действовать. Приходится все время их менять. И в данном случае есть неплохие шансы, что пептидные антибиотики нового поколения, которые разрабатывают новоявленные лауреаты, окажутся эффективнее против граммоотрицательных бактерий и прочих паразитов, чем некогда заслуженный, но уже устаревший, а потому и малоэффективный пенициллин.

И.ЗВЕРЕВ