Введение к работе
Актуальность темы исследования
Рождение техники генерирования импульсов электромагнитных
полей длительностью менее 10" с относится к 30-м годам 20-го века. С тех пор ведутся исследования макроскопических процессов, протекающих под действием этих импульсов в различных средах. Первые исследования с импульсами наносекундного диапазона (электрические разряды в плотных газах) выполнены Ньюменом [1], Флетчером [2] и Дики [3] с уменьшающимся интервалом времени между опубликованием полученных результатов: 12 лет и 3 года, соответственно, что свидетельствует о растущем интересе к этой области. В 50-е и 60-е годы 20-го века совершенствовалась техника генерирования сверхкоротких импульсов, стремительно сокращалась их длительность. Область исследования процессов, развивающихся под действием сверхкоротких импульсов, расширялась, исследования углублялись, точность повышалась. Уже более полувека устройства, генерирующие импульсы длительностью порядка 1 не, не являются экзотическими. Исследования процессов, протекающих под их действием, являются предметом множества публикаций. В настоящее время техника генерирования сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения осваивает аттосекундный диапазон (лазерное излучение) [4].
Область исследований и технических применений сверхкоротких импульсов охватывает электрические разряды разных типов в газах и вакууме, твердотельную и газовую квантовую электронику, ядерный синтез, газоразрядные, плазменные и вакуумные источники импульсов проникающих излучений (электроны высоких энергий, нейтроны, рентгеновское излучение), биологические структуры и т.п.
Многие процессы, протекающие под действием сверхкоротких электромагнитных импульсов, сопровождаются генерацией рентгеновского излучения, которое несет информацию о фундаментальных элементарных процессах, отвечающих за динамику макроскопического процесса. Так, обнаружение импульсов рентгеновского излучения (РИ) пикосекундного диапазона с непрерывным спектром из газовых разрядов позволило установить, что в плотных газовых средах при давлениях вплоть до 1-Ю5 Па. генерируются сверхкороткие импульсы электронов высоких энергий [5-7]. По линейчатому спектру РИ определяется ионный состав, плотность электронов и температура плазмы. В экспериментах по лазерному термоядерному синтезу с помощью рентгеноспектральных методов диагностики удается определить параметр инерциального удержания плазмы, плотность холодной сжатой области и температуру горячего ядра мишени [8]. Для исследований быстропротекающих процессов по сопутствующему РИ необходимы адекватные методики и аппаратура.
Некоторым достижением в этой области посвящены первые две главы, приведенные в настоящей диссертации.
Для диагностирования РИ плазмы в качестве спектральных элементов обычно применяются различные рентгеновские зеркала и дифракционные решетки. Рентгеновские зеркала представляют собой конденсированные структуры различных атомов, осажденных на зеркальную подложку. Каждая такая структура имеет индивидуальные спектральные характеристики, от стабильности которых зависит точность диагностирования плазменных источников. При расположении рентгеновских зеркал вблизи мощных плазменных источников они подвергаются световому, рентгеновскому и корпускулярному воздействиям, которые приводят к быстрой их деградации [9-11]. Для обеспечения условий безопасной эксплуатации зеркал необходимо знать предельные, вызываемые вышеперечисленными факторами, радиационные воздействия и тепловые нагрузки, при которых еще не происходит заметного изменения отражательной и селектирующей способности зеркал. К примеру, коэффициент отражения рентгеновских зеркал является сложной функцией периода структуры, пары используемых веществ, их толщины, числа слоев и характера межплоскостных шероховатостей [12,13]. Все эти характеристики меняются под воздействием радиации и нагрева.
При изучении флуоресценции гетерогенных сред, каковыми являются белковые структуры, в качестве источника возбуждения среды можно применять как мягкое РИ плазмы и синхротронных ускорителей, излучающих в диапазоне длин волн Я с нижней границей внутри "водяного окна" (2,33-4,36) нм, так и лазерное излучение. Для исследования процессов флуоресценции необходимы источники возбуждения, длительность импульса которых должна быть сопоставима или меньше длительности самого процесса. В связи с освоением диапазона ~10"10с необходимы соответствующие возбуждающие импульсы. Создание источников мягкого РИ с такими длительностями - сложная и дорогостоящая задача. Гораздо проще и дешевле применять импульсы лазерного излучения с оптимальной длиной волны для эффективного выхода флуоресценции. В последние годы были разработаны новые подходы к изучению флуоресцентными методами структуры транспортного белка - альбумина. Эти подходы позволяют на основании данных о затухании флуоресцении в наносекундном диапазоне рассчитывать абсолютные концентрации и локализацию разных типов молекул, принимающих участие во флуоресценции, и, следовательно, изучать весь спектр конформационных состояний центров в макромолекуле, содержащей флуорофоры [14-16].
Целью диссертационной работы является создание
экспериментальных методик для исследования быстропротекающих процессов в горячей плазме, конденсированных веществах и гетерогенных
средах.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1. Создание аппаратуры для проведения измерений параметров РИ с
высоким временным, спектральным и пространственным разрешениями в
диапазоне hv=0,05-3 кэВ.
2. Создание аппаратуры для абсолютной калибровки
разрабатываемых спектральных приборов и их рентгенооптических
элементов в диапазоне энергий квантов (0,1-8) кэВ.
3. Разработка методик восстановления спектров РИ горячей плазмы.
-
Разработка методик калибровки разрабатываемых спектральных приборов и их рентгенооптических элементов в диапазоне энергий квантов (0,1-8) кэВ.
-
Разработка методик проведения экспериментов по исследованию лучевой стойкости рентгеновской оптики.
-
Создание установки для изучения флуоресценции гетерогенных сред с пикосекундным временным разрешением.
7. Разработка методик проведения экспериментов с белковыми
структурами на основе сыворотки человеческого альбумина.
8. Разработка методик восстановления спектральной флуоресценции
белковой структуры на основе сыворотки человеческого альбумина.
Научная новизна заключается в следующем.
1. Разработаны и введены в эксплуатацию новые абсолютно-
калиброванные многоканальные спектрометры непрерывного РИ на основе
многослойных рентгеновских зеркал и кристаллов, позволяющие проводить
интегральные и временные измерения в диапазона энергий квантов
hv=(0,2-3) кэВ.
2. Разработаны и введены в эксплуатацию новые спектрографы на
дифракционной решетке с плоским полем регистрации, позволяющие
проводить интегральные по времени измерения линейчатого и
непрерывного РИ в диапазоне hv=(0,05-0,7) кэВ с разрешением ~250 мкм в
пространстве и Е/АЕ ~200 по энергиям.
-
Введен в эксплуатацию уникальный, обладающий широкими возможностями, комплекс калибровочных установок, позволивший провести исследование характеристик рентгенооптических элементов (многослойных рентгеновских зеркал, дифракционных решеток и рентгеновских фильтров) и регистраторов РИ (рентгеновских пленок и вакуумных рентгеновских диодов) в диапазоне hv=(0,l-8) кэВ с высоким спектральным разрешением Е/АЕ ~20-2000.
-
Впервые в экспериментах на установках "Искра-4" и "Искра-5" с различными типами мишеней с помощью разработанного комплекса приборов измерены спектры РИ в диапазоне hv=(0,05-3) кэВ с высоким временным и спектральным разрешениями.
-
Впервые на установке "Искра-5"получена генерация лабораторного рентгеновского лазера на Ne-подобном германии.
-
Впервые получены спектр РИ и температура водородной плазмы в экспериментах с термоядерной камерой МАГО.
-
Впервые на установках "Искра-4" и "Искра-5" проведена серия экспериментов и получены результаты по стойкости рентгенооптических элементов при воздействии на них мощных потоков лазерного и рентгеновского излучений наносекунд ной длительности.
-
Впервые методом флуоресцентной спектроскопии показано, что у больных шизофренией наблюдаются конформационные изменения в молекуле альбумина.
Практическое значение работы
Результаты проведенных исследований могут быть использованы:
для создания рентгеновских спектральных приборов на мощных установках (ИТЭР, NIF, Искра-6) по исследованию управляемого термоядерного синтеза;
для создания средств интерферометрии и теневой рентгенографии горячей плазмы с помощью РЛ;
для получения безосколочных источников РИ для рентгеновской литографии;
для определения термической стойкости различных рентгеновских зеркал, располагающихся вблизи мощных источников лазерного и рентгеновского излучений;
для создания приборов на основе флуоресцентной спектроскопии для диагностики и лечения больных шизофренией;
в исследованиях молекулярной природы конформационных изменений в молекуле альбумина у пациентов с депрессией.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Комплекс методик и абсолютно-калиброванных спектральных приборов для измерений характеристик РИ горячей плазмы в спектральном диапазоне hv=(0,05-3) кэВ с высоким спектральным (Е/АЕ ~20-^2000), временным (т~0,2 не) и пространственным (-250 мкм) разрешениями.
-
Калибровочный комплекс методик и приборов, позволивший провести исследование с высокой точностью (2-10 %) абсолютных характеристик рентгенооптических элементов (многослойных рентгеновских зеркал, дифракционных решеток и рентгеновских фильтров) и регистраторов РИ (рентгеновских пленок и вакуумных рентгеновских диодов) в диапазоне hv=(0,l-8) кэВ с высоким спектральным разрешением Е/АЕ -20-2000.
-
Методика, позволяющая в квазистационарной схеме накачки измерять расходимость, угловое отклонение и коэффициент усиления лазерных рентгеновских линий Ne-подобного германия.
4. Методика, позволяющая проводить измерения спектра и
температуры водородной плазмы с временным т~0,2 не и спектральным
Е/АЕ ~10 разрешениями в экспериментах с термоядерной камерой МАГО.
-
Методы, позволяющие определять стойкость рентгенооптических покрытий зеркал при воздействии на них мощных потоков лазерного и рентгеновского излучений наносекунд ной длительности.
-
Метод, позволяющий определять конформационные изменения в молекуле альбумина у пациентов с шизофренией на основе флуоресцентной спектроскопии.
Личный вклад автора
Автором разработаны описанные в диссертации методики и осуществлена их техническая реализация. Все измерения и обработка спектров РИ проведены автором. При определяющем участии автора были проведены исследования по лучевой стойкости рентгеновской оптики. Рентгенографические измерения многослойных зеркал и зеркал ПВО проведены совместно с Рощупкиным Д.В. и Трушиным В.Н. Результаты численного моделирования получены совместно с Рогачевым В.Г., Насыровым Г.Ф. и Баховым К.И.. В соавторстве с Бессарабом А.В. и Куниным А.В. разработан 8-ми канальный спектрометр РИ. В соавторстве с Бессарабом А.В. выполнены работы по созданию калибровочного рентгеновского комплекса. В соавторстве с Стариковым Ф.А. и Бессарабом А.В. выполнены работы по созданию лабораторного рентгеновского лазера. Исследования молекулярной природы конформационных изменений в молекуле альбумина у пациентов с шизофренией на основе флуоресцентной спектроскопии проведены совместно с Узбековым М.Г., Добрецовым Г.Е. и Грызуновым Ю.А.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: SPIE Iodine Lasers and Applications (1992), 24th ECLIM (Madrid, 1996), 9-е совещание по диагностике высокотемпературной плазмы ( Санкт-Петербург, 1997), 25th ECLIM (1998), 5 Международные Забабахинские Научные чтения (Снежинск, 1998), Рабочее совещание "Рентгеновская оптика-2000" (Н. Новгород, 2000), Рабочее совещание "Рентгеновская оптика-2002" (Н. Новгород, 2002), Международная конференция «IV Харитоновские тематические научные чтения. Физика лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с веществом» (Саров, 2002), Technical Digest of the International Quantum Electronics Conference (Moscow, 2002), XXX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, (Звенигород, 2003), SPIE Soft x-ray lasers and applications (San-Diego 2003), Рабочее совещание "Рентгеновская оптика-2003" (Н. Новгород, 2003), XV международная конференция по использованию СИ (Новосибирск, 2004), 11-ая всероссийская конференция по диагностике высокотемпературной
плазмы (Москва, 2005), 2n European Conference on Schizophrenia research, (Берлин, 2009), 2nd Eastern European Psychiatric Congress (Moscow, 2009), Traditions and Innovations in Psychiatry WPA Regional Meeting Materials (St. Petersburg, 2010)
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 44 работах, из них 24 статьи в рецензируемых научных журналах, в том числе в 17 журналах рекомендуемых ВАК, 20 докладов в трудах симпозиумов, конференций и семинаров.
Структура и объем диссертации
