14 ноября 2019, четверг, 22:14
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Работа физиков-теоретиков позволит продлить срок службы зеркал уникального сверхмощного Европейского лазера на свободных электронах

Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL)
Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL)
XFEL

Международный коллектив физиков, в который входили ученые из Института теоретической физики имени Ландау, сумел уточнить модель разрушения тонких пленок рутения под воздействием мощного лазера. Такими пленками покрывают зеркала для Европейского лазера на свободных электронах, благодаря которому можно изучать детальное молекулярное строение вирусов и протекание химических реакций. Понимая, что происходит с тонкими пленками при длительном воздействии лазера, ученые смогут создавать более долгосрочные покрытия для зеркал XFEL. Работа опубликована в журнале Applied Surface Science, о полученных результатах сообщает пресс-служба ИТФ РАН.

Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) — уникальный научный прибор, способный создавать сверхмощные лазерные импульсы в очень широком диапазоне частот, главным образом, рентгеновского диапазона. С частотой 27 000 раз в секунду он производит ультракороткие вспышки, яркость которых в миллиарды раз выше той, что можно добиться на других установках. С их помощью ученые из самых разных областей науки могут с разрешением в десятые доли нанометра изучать структуру биологических молекул, исследовать процессы, происходящие в топливных элементах, и даже «фотографировать» и собирать из снимков «кино» о сверхбыстрых химических реакциях — например, тех, что происходят при катализе.

Но из-за особенностей отражения рентгеновских импульсов на XFEL нельзя использовать обычную оптику. Рентгеновские лучи легко входят в большинство материалов, а не отражаются от них. Чтобы решить эту проблему и получить отраженный в нужном направлении пучок излучения, используют особые зеркала, покрытые сверхтонкими пленками из тяжелых металлов — например, золота или рутения. Зеркала располагаются так, что рентгеновские пучки сталкиваются с их поверхностью под очень малыми углами и частично отражаются.

Однако при взаимодействии с мощным рентгеновским излучением покрытие зеркала неизбежно портится. Понимая, какие именно процессы происходят с покрывающей зеркало пленкой, исследователи смогут создавать более долговечные покрытия. «Но для этого необходимо иметь модель, которая бы детально описывала, что происходит при взаимодействии рентгеновского излучения и вещества покрытия, — объясняют соавторы новой работы, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник сектора плазмы и лазеров ИТФ имени Л. Д. Ландау Наиль Иногамов и научный сотрудник Университета Твенте в Голландии Игорь Милов. — Мы занимаемся созданием такой модели с 1970-х годов, и сегодня она детально описывает множество происходящих при абляции процессов и позволяет делать точные предсказания относительно того, что будет с пленкой при тех или иных условиях».

Когда мощный когерентный рентгеновский пучок облучает пленку или любую другую металлическую мишень, вещество начинает испаряться с поверхности мишени из-за сильного нагрева. Этот процесс называется лазерной абляцией. Если мощность лазерного импульса превышает определенное пороговое значение, происходит взрыв, оставляющий после себя воронку наподобие кратера. Такие абляционные кратеры снижают отражающую способность зеркал. Однако на практике невозможно непосредственно изучить, что происходит при абляции металлических пленок под воздействием сверхмощных лазерных импульсов. Процессы протекают настолько быстро, что никакие приборы не могут зафиксировать их. На первой стадии электроны металла поглощают излучение и становятся очень горячими. Затем они передают накопленное тепло ионам, составляющим металлическую решетку. «Все эти процессы отличает непривычная физика, весьма специфическая термодинамика и теплопроводность, — говорит Иногамов. — Наша модель позволяет рассчитывать множество параметров, например, как долго электроны будут оставаться высоковозбужденными, в каком темпе они будут отдавать свою энергию в решетку, и так далее. Без понимания того, что конкретно происходит, невозможно предсказать, каким окажется масштаб повреждений».

В экспериментах на XFEL авторы новой работы облучали тонкие пленки из рутения лазером разных диапазонов: с энергией фотонов 1,5 эВ (оптический диапазон) и 92 эВ (экстремальный ультрафиолет), а также использовали ранее опубликованные результаты с энергией фотонов 7 и 12 кэВ (жесткий рентген). Затем при помощи атомно-силового, сканирующего и просвечивающего электронного микроскопов специалисты определили очертания и характеристики образовавшихся абляционных кратеров и сравнили эти данные с теми, что были получены, исходя из разработанных теоретиками моделей. «Предсказания нашей модели очень хорошо совпали с данными эксперимента. Модель позволила предсказать, при какой энергии начинается разрушение пленки, с точностью 5–10 %, — рассказывает Иногамов. — Это говорит о том, что она правильно описывает происходящие процессы. Большинство других существующих моделей позволяют сделать это с точностью лишь по порядку величины».

По итогам работы ученые смогли не только показать хорошее соответствие предсказаний модели с экспериментальными данными, но также обнаружили некий ряд общих закономерностей, свойственных процессу абляции рутениевых пленок лазерами разных диапазонов. Новая работа углубляет понимание абляционных процессов и в будущем может помочь в разработке своеобразных «библиотек» — моделей абляции для различных металлов и разных мощностей излучения. Подобные модели позволят сократить количество крайне трудоемких и дорогостоящих экспериментов по проверке каждого металла, который мог бы служить возможным покрытием для зеркал XFEL или использоваться для других процессов, в которых происходит лазерная абляция.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: [email protected]
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.