УНИКАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ УСТАНОВКА
ФГУП «ВНИИОФИ» и НИЦ «Курчатовский Институт»

ScietificPriority

Участие УНУ в решении приоритетных научных задач состоит в разработке методов и средств метрологического обеспечения, позволяющих исследователю или разработчику получать достоверные и прослеживаемые результаты измерений параметров изучаемых процессов и объектов.

Речь идет, прежде всего, о методах и средствах обеспечения единства и достоверности оптико-физических измерений, которые получают все более широкое распространение в мировой практике при решении таких приоритетных научных задач как: 

  • Исследование структуры и фундаментальных свойств материи, в том числе в экстремальных состояниях, на базе уникальных установок мегакласса с целью создания принципиально новых технологий. 
  • Исследование и разработка физических принципов и технических решений эффективной и безопасной гибридной ядерной энергетики.
  • Разработка математических моделей и программно-алгоритмического обеспечения для систем с экстрамассивным параллелизмом и решение пилотных задач науки и техники.
  • Исследование структуры и функций биоорганических систем с целью изучения природы социально значимых заболеваний и разработки новых лекарственных препаратов.
  • Исследование, разработка и создание гибридных, биоподобных и искусственных биологических материалов, структур и систем.
  • Исследование и разработка материалов с принципиально новыми свойствами на основе методов атомно-молекулярного конструирования. 
  • Разработка новых методов переработки и использования возобновляемого и техногенного сырья.   


В частности, в соответствии с Программой развития УНУ планируется дооснащение аппаратурной базы современным дорогостоящим метрологическим оборудованием и создание нормативно-методического обеспечения для научной лаборатории по радиометрии рентгеновского, УФ, видимого и ИК излучения.  
Многослойные нанопокрытия, формируемые с использованием технологического контроля на источниках синхротронного излучения применяются для  обеспечения новых заданных свойств фотоприемников, зеркал, фильтров и дифракционных решеток за счет формирования высоких значений спектральных коэффициентов пропускания и отражения в области вакуумного и ближнего ультрафиолета. Создание  высокоточных средств измерений, метрологических каналов  синхротронного излучения электронных накопительных колец, и разработка нормативно-технических документов, включающих стандарты на Государственные поверочные схемы, методики поверки, методики  измерений являются важным элементом обеспечения единства измерений параметров многослойных наноструктур для фотодиодов, ПЗС-матриц, дифракционных решеток, многослойных зеркал и фильтров, обладающих новыми заданными свойствами, качественно улучшающими эксплуатационные характеристики: 

  • обеспечения высокой чувствительности фотодиодов и ПЗСматриц в требуемом спектральном диапазоне, в частности вблизи 13,5 нм, с подавлением чувствительности вне диапазона 
  • обеспечения необходимой стабильности характеристик фотодиодов и ПЗС-матриц при воздействии коротковолнового УФ излучения
  • необходимости повышения коэффициента отражения зеркал и масок в заданном спектральном диапазоне, в частности на длине волны 13,5 нм

Технология формирования многослойных наностурктур определяет задачи и методы метрологического обеспечения, основанные на использовании спектрорадиометрии ультрафиолетового излучения. Основным методом исследования слоев является измерение спектральных и угловых характеристик многослойной структуры путем измерения коэффициентов отражения и пропускания.

Для метрологического обеспечения технологических процессов формирования многослойных наноструктур, с использованием научнотехнического задела ВНИИОФИ, проводится разработка высокоточных методов контроля, основанных на измерении спектрального коэффициента отражения формируемых объектов и определении абсолютной спектральной чувствительности фотодиодов и ПЗС-матриц непосредственно на каждом этапе технологического цикла, создании специализированных средств измерений, методик выполнения измерений, калибровки и поверки средств УФ спектрорадиометрии. Работы включают формирование требований к спектральному коэффициенту отражения, абсолютной спектральной чувствительности и требований к средстам измерений, предназначенным для технологического контроля, а также к методикам выполнения измерений. Для усиление конкурентных позиций отечественных разработок на внутреннем и внешнем рынках разрабатываемые в результате выполнения работы нормативные документы и средства измерений должны соответствовать задачам  и требованиям метрологического обеспечения.

Работы по диагностике плазмы с использованием синхротронного излучения направлены на решение проблемы обеспечения единства измерений при контроле характеристик плазменных излучателей,  интегральных ЭУФ, ВУФ и УФ радиометров-дозиметров и спектрорадиометров в части улучшения метрологических характеристик, точности и достоверности калибровки средств измерений характеристик плазменных излучателей на основе интегральных ЭУФ, ВУФ и УФ радиометров-дозиметров и спектрорадиометров для плазменных энергетических установок, космических исследованиях, при прогнозировании состояния окружающей среды, оценке и освоении ресурсов, техногенных и природных рисков, при изучении космических объектов, в том числе мониторинге верхних слоев атмосферы и солнечной активности. 

Развитие спектрорадиометрии ультрафиолетового излучения связано с созданием высокоточных методов и средств воспроизведения и передачи размеров единиц для метрологического обеспечения наноэлектроники, диагностики термоядерной плазмы, космического мониторинга солнечной активности,  локации плазменных объектов, фотохимии, контроля эффективности и опасности  воздействия излучения. Развитие нанолитографии, термоядерной энергетики и других перспективных направлений новейших технологий, создание средств измерений, эталонных источников и приемников экстремального вакуумного ультрафиолетового излучения, требует обеспечения единства измерений в коротковолновой области вакуумного ультрафиолета. Основные задачи спектрорадиометрии ультрафиолетового излучения связаны с необходимостью создания методов и средств для передачи размера единицы энергетической яркости ультрафиолетового излучения с высоким пространственным разрешением, получения информации о распределении энергетической яркости, создания методов формирования высокоэффективных отражающих покрытий  и зеркал для выделения спектральных диапазонов, с необходимостью использования циклических электронных ускорителей для генерации потока синхротронного излучения в условиях высокой радиационной нагрузки оптических элементов спектральных компараторов. В ведущих метрологических центрах РТВ и  NIST работы по метрологическому обеспечению в области экстремального вакуумного ультрафиолета являются одним из главных направлений оптической радиометрии и проводятся с использованием современных электронных накопительных колец BESSY-II, SURF-III и MLS.

Другой важной областью, определяющей необходимость ускоренного развития спектрорадиометрии экстремального ультрафиолета, является диагностика температуры  и концентрации термоядерной плазмы. Многолетние усилия по достижению параметров плазмы, соответствующих условиям термоядерного синтеза привели к международному соглашению по созданию термоядерного реактора и активизации национальных энергетических термоядерных программ. При создании термоядерных установок российские исследовательские центры играют ключевую роль ввиду большого опыта создания реакторов и проведения работ по диагностике плазмы. Возросшая роль диагностики плазмы в энергетических программах также приводит к активизации работ по спектрорадиометрии в диапазоне длин волн 0,5-40 нм для контроля состава, концентрации и температуры плазмы. Одной из наиболее важных задач спектрорадиометрии ультрафиолетового излучения, требующей развития эталонной базы, является диагностика солнечной плазмы с использованием бортовой космической аппаратуры. Создание специальных радиометров экстремального вакуумного ультрафиолета, установленных на борту космических аппаратов, позволило в последние десятилетия исследовать и описать структуру солнечных пятен. Современные исследования динамики высокотемпературной плазмы солнечных пятен позволят прогнозировать влияние солнечной активности на состояние ионосферы, магнитосферы и, в конечном счете, биосферы Земли. Методы диагностики плазмы, основанные на анализе спектрозональных изображений плазменных объектов, прежде всего в области вакуумного ультрафиолета, требуют абсолютной калибровки компаратора, включающего систему формирования изображения и позиционно чувствительный детектор с зарядовой связью, в единицах энергетической яркости и силы излучения.

Главные проблемы при спектрозональном компарировании энергетической яркости плазменных объектов с высоким пространственным разрешением связаны с реализацией метода передачи размера единицы энергетической яркости от эталонного источника синхротронного излучения, с обеспечением диапазона линейности ПЗС матрицы, с выполнением условий спектральной коррекции чувствительности, с учетом поглощения и рассеяния излучения на трассе при дистанционных измерениях. излучения. Использование спектрозонального компаратора на основе охлаждаемой ПЗС матрицы позволяет проводить измерения силы излучения электронного накопительного кольца в одноэлектронном режиме. Это позволяет использовать преимущества методов спектрорадиометрии  для диагностики плазмы в сочетании с преимуществами методов формирования спектрозональных изображений с высоким пространственным разрешением. Спектрорадиометрические методы диагностики плазмы позволяют определить ряд параметров плазмы: ионный состав, электронную и ионную температуру, плотность и скорость течения. 

Воздействие излучения ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов на организм человека в условиях производственной среды является важным фактором риска. Международные, национальные и региональные организации проводят большую работу по установлению основных характеристик, описывающих действие оптического излучения на организм человека. В последние годы все больше внимания уделяется установлению новых эффективных характеристик оптического излучения, основанных на многочисленных медицинских и гигиенических исследованиях, статистическом анализе связи физических факторов производственной среды и возникновения заболеваний различной степени тяжести. Важное значение придается разработке единых подходов международных организаций к требованиям, предъявляемым при контроле производственной оптической среды. Международными и национальными техническими комитетами проводится разработка единых норм для контроля характеристик оптического излучения, требований к методам и средствам измерений. Важнейшей особенностью развития парка средств измерений характеристик оптического диапазона является создание нового поколения компьютерных многоканальных приборов, отличающихся возможностью автоматического контроля достоверности измерительной информации. 

Разработанные в последние годы нормативные документы, методы и средства измерений позволяют проводить надежный контроль неблагоприятного воздействия на организм человека ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения в условиях производства. Создание и совершенствование УНУ отвечает задачам  разработки, калибровки и испытаний интегральных радиометров с использованием современных высокотехнологичных источников синхротронного излучения.

Ультрафиолетовое излучение  повышает тонус симпатико-адреналовой системы, активность ферментов и уровень неспецифического иммунитета, а также увеличивает секрецию ряда гормонов. Под действием УФИ кровяное давление снижается даже при облучении такими небольшими дозами, которые не вызывают эритемы. Сезонные колебания заболеваемости часто связывают с колебаниями уровня УФИ. Толерантность к эффекту таких химических веществ, как нитриты, бензопирен и т.д., имеющих общетоксическое, канцерогенное и аллергическое действие, зависит от степени воздействия УФ-излучения. 

Длительное отсутствие УФИ имеет неблагоприятные последствия для человеческого организма и приводит к развитию патологического состояния, известного как световое голодание. Наиболее частым проявлением этого заболевания является нарушение обмена веществ и развитие недостаточности витамина D, что сопровождается резким снижением сопротивляемости организма. 

УФИ в диапазоне УФ-В (280 - 315 нм) дает солнечный ожог и вызывает последующее новое пигментообразование. Излучение в диапазоне УФ-А (315 - 400 нм) вызывает небольшую эритему (за исключением случаев очень высоких доз облучения), но может приводить также к немедленному потемнению кожи. Меланин действует в качестве  нейтрального фильтра интенсивности и уменьшает количество радиации, которая может достигнуть нижнего слоя кожи или проникнуть в дерму и поразить кровеносные сосуды.

УФИ обладает и канцерогенным действием, особенно оно выраженым у людей, имеющих дефекты в восстановлении ДНК. Пигментная ксеродермия - это наследственная кожная болезнь человека. Цитологические исследования указывают на взаимосвязь между восстановлением фотоповреждений и канцерогенезом. Физические и химические факторы могут усилить канцерогенный эффект УФИ. УФ-В облучение влияет на сопротивляемость организма к образованию опухолей, увеличивая ее при облучении субэритемными дозами и уменьшая ее при облучении большими дозами. Эти данные имеют большое значение для охраны здоровья, поскольку резистентность организма к воздействию различных неблагоприятных факторов окружающей среды действует на фоне естественного УФИ. 

В отличие от злокачественной меланомы, при которой смертность в большинстве случаев превышает 40%, летальный исход рака кожи немеланомного типа составляет менее 1%. Показатели заболеваемости злокачественной меланомой резко возросли во всех странах, а смертность за период 10-15 лет увеличилась вдвое. Установлено, что рост заболеваемости и смертности среди более молодого контингента значительно выше, чем среди населения в возрасте старше 65 лет.  

Базальноклеточный рак и чешуйчатоклеточный рак, обусловленные в первую очередь длительным воздействием УФ-В, чаще развиваются в более позднем возрасте, чем злокачественная меланома, и самым тесным образом связаны с серьезными повреждениями кожи, вызванными солнечной радиацией. Таким образом, рак кожи меланомного и немеланомного типа по-разному связан с воздействием УФИ. 

Фотосенсибилизаторы вызывают фототоксические или фотоаллергические реакции. Спектры действия большинства фототоксичных веществ, вызывающих кожные нарушения у человека, находятся в области длинноволнового УФИ (315-400  нм). Контактные фотосенсибилизаторы могут входить в состав косметических средств. Кроме того контактные фотосенсибилизаторы входят в состав растений, вызывающих фитофотодерматиты. Эти проблемы связаны в основном с терапевтическими средствами, в том числе сульфаниламидами, солнцезащитными средствами. Системные фотосенсибилизаторы включают: диуретики группы тиазида; антибактериальные сульфаниламиды; противодиабетические лекарственные средства и антибиотики (особенно диметилхлортетрациклин). Фоточувствительность в ряде случаев могут вызывать и другие лекарственные препараты. Однажды развившись, фотоаллергия может проявляться как реакция даже на видимый свет. Небольшие количества фотоантигена сохраняются в кожном покрове и вызывают реакцию циркулирующих антител или иммунный ответ на клеточном уровне.

Таким образом, развитие УНУ обеспечивает возможность участия в решении широкого спектра приоритетных научных задач. 

Разработка математических моделей и программно-алгоритмического обеспечения для систем с экстрамассивным параллелизмом обеспечивает решение ряда самых перспективных научных задач. Однако, отработка подобных моделей и алгоритмов, в процессе их создания требует привлечения вычислительной инфраструктуры, которая в ряде случаев может быть реализована только в виде распределенных вычислительных сетей. Такие сети могут эксплуатироваться только на основе высокостабильных и надежных телекоммуникационных волоконно-оптических линий с повышенными требованиями к их техническим характеристикам. В число главных параметров волоконно-оптических линий для распределенных вычислительных сетей с высокой пропускной способностью входят частота несущей в оптическом диапазоне при спектральном уплотнении и амплитудный и фазовый спектры информационного сигнала, характеризующие динамические свойства импульсной последовательности информационного потока. 

Весьма важным инструментом диагностики при решении приоритетной научной задачи исследований и разработки материалов с принципиально новыми свойствами на основе методов атомно-молекулярного конструирования является оптическая спектроскопия сверхвысокого разрешения. Этот же метод актуален и в области создания гибридных, биоподобных и искусственных биологических материалов, структур и систем, и для исследований структуры и функций биоорганических систем с целью изучения природы социально значимых заболеваний и разработки новых лекарственных препаратов.