«Черные тела» – светлое будущее России

Директор ВНИИ метрологии и стандартизации Сергей Кононогов (справа) и начальник сектора ВНИИОФИ Сергей Огарев в одной из лабораторий института.
Фото Натальи Ворошиловой

Единство и точность измерений – это и научный уровень, и своеобразная плотина, дамба, защищающая от хаоса инфраструктуру страны. Ведь в развитом государстве постоянно идет процесс воспроизводства эталона – в телах новых товаров, механизмов, автомобилей┘ В пределе все настоящее, современное промышленное производство можно назвать воспроизведением стандартов, каковые сами постоянно совершенствуются – идет самая настоящая «гонка точности».

Работа госстандартовских институтов ВНИИ метрологии и стандартов (ВНИИМС) и ВНИИОФИ (оптико-физических измерений) позволяет России даже без всяких политических комплиментов оставаться в числе передовых стран мира. Подтверждение такого лидерства – наше участие в международных сличениях и других проектах, проводящихся Международным бюро мер и весов (МБМВ). Результаты, показанные нашими оптическими эталонами, сделали Россию страной-пилотом, а ВНИИОФИ – лабораторией-пилотом при сличениях по спектральной плотности энергетической яркости источников. Эти термины – главные характеристики излучения, то есть света, его составляющих по той знаменитой школьной формуле – Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан. А если прибавить в обе стороны от видимого света еще ультрафиолет и инфракрасное излучение – получится тот диапазон, в котором работают указанные эталоны.

Научная, техническая и технологическая применимость оптических излучений в последние десятилетия выросла неимоверно. Лучшее представление об этом может дать директор ВНИИ метрологии и стандартизации Сергей Кононогов. Как научный сотрудник, он участвовал в разработке, изготовлении оптических эталонов, а теперь занимается внедрением их в практику метрологической службы.

«Признанное лидерство России в сфере оптических эталонов позволит поддерживать «на уровне» и те научно-технические направления, где эти эталоны имеют ключевую важность, – подчеркивает Сергей Кононогов. – Это астрофизика, исследования плазмы, оптическая локация, дистанционное зондирование Земли, астронавигация и астрокоррекция, имитаторы Солнца для решения задач теплового баланса космических аппаратов, исследования солнечной радиации. А, кроме того, медицина, биотехнологии, охрана труда, контроль параметров изделий оптоэлектроники, светотехнической продукции, характеристик осветительных и светосигнальных приборов. И так далее».

Главной и наиболее интересной частью этой работы, выполненной группой доктора технических наук, профессора Виктора Саприцкого, было создание технических средств – эталонных источников и приемников излучения.

Эталонные источники излучения ВНИИОФИ – это синхротронный источник и источники типа «Черное тело». О первом можно сказать, что это, по сути, самый маленький в мире ускоритель, родственник знаменитых синхрофазотронов, циклотронов, коллайдеров. Единственный в мире, размером со среднюю кухню – синхротрон ВНИИОФИ – предмет научной зависти многих стран. Шли десятки запросов о продаже его копии, но, к чести ученых и руководителей Госстандарта, этого не произошло даже и в самые тяжелые годы.

Зато прекрасно тиражируется и продается другой источник. «Черное тело» можно назвать рекордсменом российского экспорта как самый технологичный и наукоемкий товар, поставляемый в ведущие метрологические центры мира: NIST (США), NPL (Англия), PTB (Германия), CNAM (Франция), а так же в Италию, Испанию, Турцию, Китай. Чем же так ценны эти с виду просто железные бочки, обвитые проводами?

«Черное тело» век назад было такой же научной абстракцией, термином, как Вечный двигатель, Большой взрыв, абсолютный ноль. ЧТ – это замкнутый источник, находящийся в тепловом равновесии, излучение которого может быть рассчитано в зависимости от его температуры. В сущности, вся квантовая механика родилась из описания свойств Абсолютно черного тела.

Практическое же современное приближение к ЧТ выглядит действительно как бочка с единственным отверстием. Внутри различные пирографитовые ухищрения позволяют поддерживать температуры до 3500 кельвинов (предел), на выходе – пучок, если угодно, света, характеристики которого известны – эталон. Точнее, комплект эталонов: силы излучения и энергетической освещенности в диапазоне 0,2–25,0 мкм, спектральной плотности энергетической яркости, силы излучения, энергетической освещенности.

Тот же единственный в мире синхротронный источник, расположенный на третьем этаже здания ВНИИОФИ, позволяет достигать температуры 100 тыс. Кельвинов, уходя еще дальше от «фазанов» – в область ультрафиолета. (Его можно регистрировать в Книге рекордов Гиннесса как «самый ультрафиолетовый излучатель» в мире.)

Чем же еще кроме фактов удачного экспорта Черных тел, доказать всеобщую важность поддержания эталонов? В эпоху, когда из «научных терминов» известен разве что – «черный нал», значение работы группы профессора Саприцкого можно проиллюстрировать близкими нам всем примерами.

В каждом из видов излучения, во всем возможном диапазоне от ультрафиолета до инфракрасного излучения, медики вычислили дозы полезные, дозы просто необходимые для здоровья и жизни, дозы вредные, дозы смертельно опасные. Построены диаграммы: «Польза–опасность».

Ультрафиолет (200–400 нм) повышает тонус симпатико-адреналиновой системы, активность ферментов, уровень иммунитета, снижает кровяное давление. Недостаток его приводит к патологическому состоянию «световое голодание» – нарушение обмена веществ, недостаточность витамина D, снижение сопротивляемости. В избытке – это опаснейший канцероген.

Инфракрасное излучение (0,78–1000 мкм) – активизация ферментативных и аутоиммунных процессов, уменьшение лейкоцитов и тромбоцитов, повышение содержания кальция. Перебор ИК – нарушение белкового обмена, ишемия, гипертония, термальное повреждение сетчатки глаз┘

Интересно, что и «белый свет», видимая часть спектра, лежащая между инфра- и ультракрайностями (400–780 нм), тоже небезупречна в медицинском смысле. Исследования академика РАМН Н.Ф. Измерова фиксируют несколько отрицательных свойств в этом диапазоне: низкая освещенность, повышенная яркость, прямая и отраженная блескость, повышенная пульсация освещенности. При наличии отраженной блескости условия труда приравниваются к 3-му классу 1-й степени вредности.

Пульсация освещенности наблюдается при освещении газоразрядными лампами, световой поток которых пульсирует с удвоенной частотой переменного тока, то есть 100 Герц. Восприятие движущихся предметов при пульсирующем освещении – стробоскопический эффект – приводит к травматизму. Пульсация при работе с неподвижными предметами неблагоприятно воздействует на кору головного мозга. Коэффициент пульсации – важный критерий оценки рабочего места.

Так вот, наши метрологи создали не только эталонные источники, но и прецизионные приемники излучений. Разработали поверочные схемы. В итоге выстраивается пирамида точности: от эталона к образцовым средствам измерения, от образцовых – к рабочим. И все это нужно для контроля энергетических и эффективных характеристик оптического излучения, измерения уровня освещенности и коэффициента пульсации света. Чтобы глаза не болели, например, когда вы читали эту статью.