Технические характеристики фотон 1051: Foton Aumark 1051 Технические Характеристики

Цена по запросу

Аналогичные:

Грузовой автомобиль Foton BJ 1051 (Изотерм)

Заявка отправлена. В ближайшее время с вами свяжутся менеджера компании.

Отслеживание груза

Мы сообщим о состоянии Вашего груза в ближайшее время.

Ок

Рассчитать

Ok

Задать вопрос

Связаться с менеджером

Рассчет стоимости

Обновить

Согласие на обработку персональных данных

Настоящим Согласием, в соответствии с Федеральным законом № 152-Ф3 «О персональных данных» от 27.07.2006 года свободно, своей волей и в своем интересе выражаю свое безусловное согласие на обработку моих персональных данных.

Общество с ограниченной ответственностью «ТРАНСЛОГИСТИК» (ОГРН 1187746408849 ИНН 9710057150), зарегистрированным в соответствии с законодательством РФ по адресу: 127006, Москва, улица Садовая-Триумфальная, д.4-10, пом.II комн16, офис 58 (далее по тексту — Оператор). Персональные данные — любая информация, относящаяся к определенному или определяемому на основании такой информации физическому лицу. Настоящее Согласие выдано мною на обработку следующих персональных данных:

• Имя;
• Фамилия;
• Телефон;
• E-mail.

Согласие дано Оператору для совершения следующих действий с моими персональными данными с использованием средств автоматизации и/или без использования таких средств: сбор, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), использование, обезличивание, передана третьим лицам для указанных ниже целей, а также осуществление любых иных действий, предусмотренных действующим законодательством РФ, как неавтоматизированными, так и автоматизированными способами.

Данное Согласие дается Оператору для обработки моих персональных данных в следующих целях:

• предоставление мне услуг/работ;
• направление в мой адрес уведомлений, касающихся предоставляемых услуг работ;
• подготовка и направление ответов на мои запросы;
• направление в мой адрес информации, в том числе рекламной, о мероприятиях/товарах /услугах/работах Оператора.

Настоящее Согласие действует до момента его отзыва путем направления соответствующего уведомления на электронный адрес [email protected], [email protected] В случае отзыва мною Согласия на обработку персональных данных Оператор вправе продолжить обработку персональных данных без моего согласия при наличии оснований, указанных в пунктах 2 — 11 части 1 статьи 6, части 2 статьи 10 и части 2 статьи 11 Федерального закона № 152-Ф3 «0 персональных данных» от 27.07.2006 г.

Тонкая настройка химической структуры фотоактивных материалов для высокоэффективной органической фотоэлектрической энергии

Количественная оценка сухой массы тела — PubMed

Задний план: Для увеличения дозировки лекарств рекомендуется использовать низкую массу тела (НМТ). Однако существующие методы прогнозирования LBW несовместимы в крайних случаях и могут вводить в заблуждение в отношении интерпретации режимов, основанных на весе.

Задача: Целью настоящего исследования было разработать полумеханистическую модель для прогнозирования массы без жира (FFM) на основе характеристик субъектов в популяции, которая включает крайние размеры. Считается, что FFM очень близок к LBW. Существует несколько эталонных методов оценки FFM, тогда как эталонов для LBW не существует.

Пациенты и методы: В исследование были включены 373 пациента (168 мужчин, 205 женщин).Эти данные получены из двух популяций. Популяция A (набор данных индекса) содержала антропометрические характеристики, FFM, оцененную с помощью двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии (DXA — эталонный метод) и данные анализа биоэлектрического импеданса (BIA). Популяция B (тестовый набор данных) содержала те же антропометрические измерения и данные FFM, что и популяция A, но исключала данные BIA. Пациенты в популяции А имели широкий диапазон возраста (18–82 года), массы тела (40,7–216,5 кг) и значений ИМТ (17,1–69,9 кг / м2). Пациенты в популяции B имели значение ИМТ 18.7-38,4 кг / м2. Двухэтапная полумеханистическая модель для прогнозирования FFM была разработана на основе демографических данных популяции A. Для этапа 1 была разработана модель для прогнозирования импеданса, а для этапа 2 модель, которая включала прогнозируемый импеданс, использовалась для прогнозирования FFM. Эти две модели были объединены, чтобы обеспечить общую модель для прогнозирования FFM на основе характеристик пациента. Разработанная модель для FFM была оценена извне путем прогнозирования в популяции B.

Результаты: Полумеханическая модель для прогнозирования импеданса включала пол, рост и массу тела.Разработанная модель обеспечивает хороший прогноз импеданса как для мужчин, так и для женщин (r2 = 0,78, средняя ошибка [ME] = 2,30 x 10 (-3), среднеквадратичная ошибка [RMSE] = 51,56 [приблизительно 10% от среднего]) . Окончательная модель FFM включала пол, рост и вес. Разработанная модель для FFM обеспечила хорошие прогностические характеристики как для мужчин, так и для женщин (r2 = 0,93, ME = -0,77, RMSE = 3,33 [приблизительно 6% от среднего]). Кроме того, модель точно предсказала FFM субъектов в популяции B (r2 = 0.85, ME = -0,04, RMSE = 4,39 [приблизительно 7% от среднего]).

Выводы: Полумеханическая модель была разработана для прогнозирования FFM (и, следовательно, LBW) на основе легко доступных характеристик пациента. Эта модель была проспективно оценена, и было показано, что она имеет хорошие прогностические характеристики.

границ | Лучевые мониторы завтрашнего дня: вызовы электронов и фотонов FLASH RT

Введение

Обычное лечение лучевой терапией (ЛТ) доставляет общую дозу 20–80 Гр к цели в десятках фракций (обычно 2 Гр на фракцию) для выполнения ограничений по дозе из-за осложнений со здоровыми тканями.Продолжительность облучения зависит от ускорителей: существующие источники кВ и МВ обеспечивают мощность дозы от 0,5 до 10 Гр / мин.

Параллельно с этим возникающая и очень многообещающая FLASH RT предлагает совершенно другое фракционирование дозы, которое заключается в доставке однократного облучения при сверхвысоких мгновенных мощностях дозы (до 10 ⁷ Гр / с в каждом мкс-импульсе) в очень короткое время (<200 мс) [1, 2].

Этот метод недавно привлек большое внимание из-за сниженной токсичности на уровне нормальной ткани, наблюдаемой в доклинических исследованиях на клетках и животных, по сравнению с традиционной лучевой терапией при стандартных мощностях доз [3].Более того, на момент написания первого пациента, пораженного высокорезистентной лимфомой кожи, было проведено лечение методом FLASH с впечатляющим ранним результатом [4]. Если это будет подтверждено текущими исследованиями и биологической проверкой in vivo , это может стать прорывом в лечении рака.

Однако биологические проверки in vivo являются обязательными для достижения необходимого глобального консенсуса по FLASH, но надежность и точность экспериментальных исследований в настоящее время ограничены отсутствием отслеживаемых активных детекторов.Стандартные мониторы пучка (заполненные газом ионизационные камеры) фактически не могут использоваться для сверхвысоких мощностей дозы из-за высокой скорости рекомбинации зарядов. Кроме того, ионизационным камерам требуется несколько десятков мкс (30–300 мкс для воздушного зазора 0,5–5 мм) для сбора ионов [5], и они слишком медленные, чтобы управлять пучком FLASH, который доставляет десятки Гр за несколько мкс.

Из-за отсутствия надлежащих устройств мониторинга и неопределенности его будущих применений, в настоящее время очень немногие установки могут доставлять облучение со сверхвысокой мощностью дозы, и они в основном обеспечивают пучки электронов и протонов [3].

С другой стороны, был разработан ряд усовершенствованных устройств, в основном на основе кремниевых диодов, для надежного измерения сложной доставляемой карты дозы, достижимой с помощью современных методов RT [6]. Исходя из результатов, полученных с помощью этих устройств, данная работа направлена ​​на изучение и определение характеристик прочного, тонкого и большого кремниевого детектора, способного контролировать дозу во время фотонного и электронного FLASH-облучения.

Далее мы сообщаем о физических характеристиках пучков FLASH, принципах доставки дозы в режиме онлайн и требованиях к новому монитору пучка.Затем в работе описываются результаты, полученные при моделировании поведения нового кремниевого детектора при облучении сверхвысокой мощностью дозы, и связанные с этим нерешенные вопросы.

Материалы и методы

Точно так же, как и при обычном лучевом облучении, результат обработки FLASH будет во многом зависеть от точности доставки дозы как на уровне ускорителя частиц, так и на уровне системы формирования и мониторинга пучка, включая детекторы для онлайн-измерений параметров основного пучка.

В этом разделе мы представляем физические характеристики лучей FLASH, которые ставят новые задачи перед детекторами следующего поколения, обязательными для обеспечения безопасности пациента и точности лечения с помощью FLASH-излучения.Прежде чем описывать характеристики нового кремниевого детектора, мы быстро рассматриваем основные характеристики существующих мониторов луча, которые считаются жизнеспособным вариантом для решения сложной задачи мониторинга лучей FLASH.

Характеристики луча FLASH

Мощность дозы

Рентгеновские лучи и электроны, используемые в обычных RT, производятся линейными ускорителями (LINAC), в которых радиочастотные (RF) волны периодически ускоряют электроны, обеспечивая выход импульсного излучения.

Длительность импульса регулируется импульсным модулятором и составляет от 2 до 6 мкс, в то время как частота повторения импульсов (PRF) обычно регулируется дискретными значениями, обычно от 50 до 1000 Гц, генератором PRF [7, 8].Это означает, что существующие ускорители показывают скважность от 0,01 до 0,6%.

Временная структура доставки пучка имеет решающее значение для обработки FLASH, потому что требование конкретной средней мощности дозы, обычно> 40 Гр / с, влечет за собой гораздо более высокую мощность импульсной дозы во время рабочего цикла ускорителя. Например, учитывая LINAC с длительностью импульса 6 мкс и PRF 1000 Гц или периодом 1 мс (см. Синий пример на рисунке 1), средняя мощность дозы FLASH 100 Гр / с может доставляться импульсами 6 мкс. с мгновенной мощностью дозы 16 кГ / с.С другой стороны, при длительности импульса 2 мкс и частоте повторения импульсов 50 Гц для той же средней мощности дозы требуется мгновенная мощность дозы в 60 раз больше. Мгновенные мощности дозы FLASH, указанные в литературе, варьируются от 10 ³ Гр / с до 10 ⁶ Гр / с для фотонов и даже выше (10 ⁷ Гр / с) для электронов [1, 9].

Рисунок 1 . Мгновенная мощность мгновенной дозы для средней мощности дозы 100 Гр / с, доставленная LINAC, работающим при двух различных частотах повторения импульсов: 50 и 1000 Гц.

Лучевые мониторы в традиционной лучевой терапии

Устройство контроля пучка состоит из набора пропускающих ионизационных камер, покрывающих всю площадь поперечного сечения пучка излучения, которые предназначены для контроля доставленной дозы и мощности дозы, а также дополнительных рабочих параметров, таких как плоскостность и симметрия пучка [ 10]. Во время облучения заряд, собранный в каждой камере, оценивается количественно в единицах монитора (MU), откалиброванных так, чтобы соответствовать дозе 1 сГр в стандартных стандартных условиях.Как только в первичной ионизационной камере будет достигнуто заданное количество МЕ, облучение прекращается. В настоящее время для резервирования требуется вторичная камера: если первая камера выходит из строя, занижая дозу, вторая используется для прекращения лечения. Чтобы избежать изменений чувствительности в результате колебаний температуры и давления, эти камеры могут быть герметизированы или вентилированы, и они должны быть правильно откалиброваны в соответствии с измеренными температурой и давлением газа. Они тонкие и используют материалы с низким атомным номером для их входных и выходных окон, чтобы быть максимально прозрачными для луча.Газонаполненные ионизационные камеры не только являются частью всех систем доставки пучка во всех медицинских учреждениях, но и используются для ввода в эксплуатацию RT LINAC [11] и для обеспечения качества (QA). Из-за своей ограниченной сложности и простой механической конструкции они предлагают ряд преимуществ, таких как надежность, простота эксплуатации и отсутствие признаков ухудшения рабочих характеристик из-за эффектов старения даже после нескольких лет облучения.

FLASH-облучение вызывает радикальное изменение характеристик пучка, структуры времени доставки и, прежде всего, средней и мгновенной мощности дозы (см. Раздел «Характеристики пучка FLASH»), что указывает на пределы возможностей ионизационных камер.Хотя было показано, что поправочные коэффициенты эффективны до 2 кГр / с [12], тем не менее ионизационные камеры не могут использоваться для сверхвысоких мощностей дозы из-за высокой скорости рекомбинации. Последнее зависит от количества зарядов, создаваемых на единицу объема и в единицу времени, то есть от мощности дозы, которая является величиной, которую нужно измерить. Хотя недавно были разработаны конкретные модели для характеристики насыщения и расчета абсолютной дозы, этот эффект насыщения может варьироваться в зависимости от характеристик пучка и схемы облучения, что делает установление поправочных коэффициентов неточным и требует много времени [13].Кроме того, ионизационным камерам требуется несколько десятков мкс (30–300 мкс для воздушного зазора 0,5–5 мм), чтобы собрать заряды, и они слишком медленные, чтобы контролировать луч FLASH, доставляющий десятки Гр за несколько мкс.

Этот сценарий ясно указывает на потребность в новых устройствах для мониторинга, необходимых для проведения тщательных доклинических исследований биологических механизмов, лежащих в основе эффективности терапии FLASH, и здесь мы исследуем кремниевые детекторы как жизнеспособный вариант среди альтернативных технологий, которые можно рассмотреть.

Кремниевый детектор

были ранее предложены для дозиметрии в РТ [14] из-за развитой технологии производства, их высокой чувствительности (в десятки тысяч раз больше, чем у ионизационных камер с таким же активным объемом) и отличного пространственного разрешения, и нашли применение в настоящее время. от процедур контроля качества до in vivo дозиметрии . Действительно, в последние десятилетия современные методы RT начали ставить под сомнение роль ионизационных камер.Томотерапия, кибернож, лучевая терапия с модуляцией интенсивности (IMRT) и терапия с волюметрической модуляцией дуги (VMAT) производят излучение, имеющее форму, близкую к целевому объему опухоли. Это достигается за счет сложных полей излучения, характеризующихся высокими градиентами дозы и сильными изменениями в пространстве и времени мощности дозы и энергетического спектра пучка. Ионизационные камеры не рекомендуются для измерений в высоких градиентах дозы, поскольку они сильно страдают как от низкой чувствительности, так и от низкого пространственного разрешения. Таким образом, в последние годы был разработан ряд передовых устройств, в основном на основе кремниевых диодов, для надежного измерения доставленной карты дозы, отвечающих требованиям конформного радиационного мониторинга для клинической лучевой терапии [6].

Напротив, тонкие планарные кремниевые устройства никогда не использовались в качестве систем онлайн-мониторинга на линиях терапевтического луча, поскольку заполненные газом ионизационные камеры в настоящее время представляют собой самое современное средство для мониторинга луча во время лечения лучевой терапией. Для контроля пучка электронов и фотонов при облучении со сверхвысокой мощностью дозы выбор подходящей кремниевой технологии (гибридной или монолитной), разработка и разработка правильной геометрии кремниевого датчика с точки зрения поверхности и толщины отдельного элемента ( пиксель / полоса) и сегментация (количество элементов в детекторе) еще предстоит определить.

Основные параметры, которые необходимо учитывать при проектировании, включают мгновенные мощности дозы в диапазоне от 10 ³ Гр / с до 10 ⁷ Гр / с, окончательный размер детектора и расстояние, на котором детектор будет расположен. относительно источника. Минимальная необходимая чувствительная область составляет 10 × 10 см ² , чтобы можно было заменить камеры монитора, которые в настоящее время используются LINAC, но ее следует увеличить, если требуется большее расстояние. Действительно, расположение детектора в сопле приводит к очень разным скоростям плотности потока энергии, которые увеличиваются на два порядка, когда детектор перемещается с расстояния одного метра от источника до ближайшей точки к самому источнику.Это подразумевает очень разные требования как с точки зрения кремниевого детектора, так и с точки зрения электроники, чтобы поддерживать одинаковую эффективность сбора заряда и, следовательно, одинаковую точность измерений мощности дозы.

В этой работе типичные мощности дозы вспышки использовались для моделирования плотности потока энергии электронов и фотонов на поверхности кремниевого сенсора и скорости заряда, генерируемого в элементе детектора, в зависимости от его чувствительной области, толщины сенсора и толщины сенсора. энергия частицы.Большое количество неизвестных факторов, таких как, например, возникновение условий плазмы в кремнии, которые могут привести к короткому замыканию, или зависимость мощности дозы представляют собой большую проблему. Следовательно, изучение эффекта рекомбинации, насыщения и линейности датчика в зависимости от мощности дозы, наряду с возможными стратегиями коррекции этих эффектов и определения пределов таких поправок, является фундаментальным шагом, который все еще необходимо учитывать. Для решения новых задач необходимо провести детальное моделирование и моделирование поведения детектора в среде с таким большим потоком и сравнить их, например, с пассивной дозиметрией.

Интерфейсное считывание

Учитывая сверхвысокие мощности дозы, ожидаемые при облучении вспышками, требуется большая сегментация датчика, чтобы ограничить ток, считываемый с каждого канала. Тонкие пиксельные датчики, покрывающие площадь поперечного сечения луча, считываемые с помощью полностью настраиваемого выступа ASIC на передней панели, прикрепленного к датчику, предлагают возможность объединения измерения потока и пространственной информации в уникальном компактном детекторе. Внешняя ASIC должна быть спроектирована так, чтобы считывать заряд в канале датчика, имеющем дело с высоким пиковым импульсным током лучей FLASH, избегая насыщения усилителя и без мертвого времени во время импульсов луча.Ниже описаны два различных подхода, а их основные характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 . Краткое изложение основных характеристик двух возможных архитектур считывания.

Естественным выбором для внешнего интерфейса является использование усилителя, чувствительного к заряду (CSA), который интегрирует входной заряд на конденсаторе обратной связи C _f , за которым следуют формирователь и аналого-цифровой преобразователь ( ADC), который оцифровывает амплитуду напряжения в конце каждого импульса луча.При использовании современной технологии комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS) плотность емкости не может превышать ~ 100 фФ / мкм ² , что приводит к максимуму C _f в диапазоне от 10 до 100 пФ, в зависимости от доступной площади по поверхности пикселя. Используя типичное напряжение смещения 1,2 В, максимальный заряд от 12 до 120 пКл (соответствует максимальному току от 6 до 60 мкА для импульса длительностью 2 мкс) может быть измерен в каждом импульсе до насыщения усилителя.Эти пределы могут быть увеличены не более чем в 2 раза за счет использования большего напряжения смещения для аналоговой части канала (например, 2,5 В) при смещении цифровой части более низким напряжением.

Для преодоления этих ограничений могут быть реализованы различные стратегии за счет увеличения сложности внешнего интерфейса.

На рисунке 2 показана блок-схема модифицированной версии схемы, описанной выше, где также измеряется крутизна начального нарастания сигнала.В случае насыщения CSA общий заряд может быть восстановлен из измеренного наклона с использованием калибровочной кривой, определенной экспериментально. Наклон может быть определен путем измерения времени, затрачиваемого сигналом на увеличение от более низкого напряжения V _th2 до более высокого напряжения V _th3 , с использованием преобразователя времени в цифровой (TDC), в котором сигналы запуска и останова предоставляются нижний (V _th2 ) и верхний (V _th3 ) пороги дискриминатора двойного порога, как показано в нижней ветви рисунка 2.В качестве альтернативы можно использовать АЦП для измерения выходного напряжения после фиксированной задержки по времени от стартового сигнала, выдаваемого однопороговым дискриминатором. Общая погрешность показаний электроники должна поддерживаться на уровне промилле.

Рисунок 2 . Блок-схема схемы, в которой АЦП используется для оцифровки амплитуды напряжения на выходе емкости обратной связи чувствительного к заряду усилителя (CSA) по истечении всего времени длительности импульса. Начальный наклон сигнала также измеряется с помощью TDC и дискриминатора с двойным порогом.

Другой метод, основанный на CSA и активной обратной связи, может использоваться для ограничения насыщения усилителя, сохраняя при этом считывание входного сигнала без мертвого времени. Этот метод, основанный на архитектуре рециклирующего интегратора, успешно применялся в нескольких версиях микросхем TERA ASIC, разработанных нашей группой в последние годы для приложений терапии частицами [15]. Ссылаясь на рисунок 3, когда выход CSA пересекает порог дискриминатора (V _th- для отрицательных и V _{th +} для положительных входных токов), импульс, генерируемый блоком генератора импульсов, отправляется на C. _sub конденсатор.Два противоположных заряда, задаваемые продуктом C _sub · ( V _{импульс +} — V _{импульс —} ), генерируются на конденсаторе, который при надлежащей синхронизации два переключателя, показанные на рисунке, могут использоваться для вычитания постоянного отрицательного или положительного кванта заряда, в зависимости от полярности входного тока, из заряда, интегрированного усилителем. При постоянном входном токе этот механизм обратной связи предотвращает потерю данных, вызванную насыщением внешнего интерфейса, без возникновения мертвого времени.Однако механизм вычитания управляется внешними часами и может работать до максимального входного тока, при котором достигается максимальная частота вычитания. Количество вычтенных квантов заряда, хранящееся в счетчике, обеспечивает оцифрованное измерение входящего заряда. При желании быстрый доступ к счетчику может также обеспечить возможность контроля заряда во время импульса.

Рисунок 3 . Пример функциональной схемы интегратора утилизации.

Предполагая, что максимальная частота вычитания составляет 100 МГц, квант заряда составляет 1 пКл, и в худшем сценарии импульсов длительностью 2 мкс можно вычесть максимум 200 пКл заряда.Это увеличивает на ту же величину заряд, который может быть интегрирован до насыщения, как рассчитано выше. При соответствующем выборе конденсатора обратной связи можно было измерить заряд до 400 пКл за импульс (т. Е. До 200 мкА тока во время импульса).

Выбор кванта заряда определяет зарядовую чувствительность входного каскада и, следовательно, чувствительность к доставленной дозе. Среднее количество вычитаний на импульс, превышающее 100, необходимо для достижения чувствительности 1% в каждом импульсе.Принимая во внимание наихудший сценарий частоты повторения импульсов 50 Гц, это соответствует чувствительности 0,02% для всего лечения. Меньшие значения кванта заряда приближают систему к насыщению, тогда как большие значения ухудшают чувствительность к измерению дозы каждого отдельного импульса. Считывание должно позволять изменять квант заряда в широком диапазоне, чтобы адаптироваться ко всем возможным условиям облучения. Это может быть достигнуто как путем реализации нескольких параллельных конденсаторов, которые могут быть независимо добавлены через цифровых линий конфигурации для получения общей емкости C _sub , так и путем изменения В _{импульсных} напряжений.

Точность механизма вычитания определяется точностью разности напряжений ( В _{импульсов +} — В _{импульсов —} ) и емкости C _sub ; хотя первое можно сделать очень точным при использовании внешних источников напряжения, для емкости следует ожидать точности ~ 10% с поканальными вариациями до нескольких% [16]. Поэтому точная калибровка кванта заряда для каждого канала с использованием внешнего источника тока является обязательной для компенсации этого эффекта.

Результаты

Скорость производства заряда фотонами и электронами в кремнии

Скорость заряда Q , генерируемого кремниевым сенсорным элементом при сверхвысокой мощности дозы FLASH, сильно зависит от его активной площади, толщины сенсора, энергии частиц и мощности дозы. Его можно получить с помощью следующего уравнения:

, где ϕ = N / S · Δ t — скорость попадания электронов / фотонов на датчик на единицу поверхности (плотность потока энергии), S — активная площадь пикселя, ε — средняя энергия высвобождается на частицу, Вт = 3.6 эВ — это средняя энергия, необходимая для создания пары электрон-дырка в кремнии, а e = 1,6 × 10 ⁻¹⁹ C .

Для оценки средней энергии, выделяемой на одну частицу ε, было выполнено моделирование методом Монте-Карло с использованием кода Geant4 со стандартным пакетом физики электромагнитного взаимодействия, третий вариант. Были рассмотрены три случая: пучок моноэнергетических фотонов с энергией 1 МэВ, пучок фотонов с энергетическим спектром LINAC 6 МВ и пучок электронов 6 МэВ, представляющих энергию электронного пучка, используемого для лечения кожных и поверхностных заболеваний [7, 17].Пиксель детектора был смоделирован как кремниевый ящик с поверхностью 1 мм ² в плоскости xy и 100 мкм в z , что является типичной толщиной кремниевой пластины, и 10 ⁹ частиц луча были равномерно распределены в плоскости xy и направлена ​​вдоль z , перпендикулярно поверхности датчика, как показано на рисунке 4a. Объем кремниевого пикселя был разделен на 10 ⁶ вокселей размером 10 × 10 × 1 мкм ³ для записи трехмерного распределения энергии, высвобождаемой падающими фотонами, электронами и вторичными частицами, и полученная энергия нормировалась на общее число частиц, используемых в моделировании.

Рис. 4. (a) Вид геометрии, использованной для моделирования Монте-Карло. (b) Проекция в плоскости yz энергии, выделяемой пучком фотонов с энергией 1 МэВ в датчике. (c) Средняя энергия, вложенная на фотон в срезах 100 мкм, как функция глубины z в кремнии. Результаты показаны как для моноэнергетических фотонов с энергией 1 МэВ, так и для пучка фотонов с энергетическим спектром LINAC 6 МВ. Стрелки указывают на глубину достижения электронного равновесия.

На рис. 4b показана проекция на плоскость yz энергии, выделяемой пучком фотонов с энергией 1 МэВ. Распределение неоднородно, потому что, учитывая небольшую толщину кремниевой плоскости, электроны, приводимые в движение рассеянными Комптоном фотонами, приводят к увеличению энергии, вкладываемой с глубиной, — хорошо известному эффекту накопления. Нарастание происходит в пределах нескольких миллиметров от поверхности до тех пор, пока не будет достигнуто электронное равновесие, как показано на рисунке 4c, где моделирование было повторено с использованием более толстого кремниевого поглотителя, чтобы показать эффект.Можно заметить, что энергия, вложенная в первые 100 мкм, составляет <20% энергии, вложенной при достижении электронного равновесия.

На рис. 5а показана средняя энергия, вложенная в датчик на один фотон в срезах 1 мкм вдоль z , демонстрируя устойчивое увеличение из-за нарастания до 90 мкм с последующим небольшим уменьшением из-за отсутствия вклада отраженные частицы вблизи задней панели детектора. Соответствующее кумулятивное распределение, показанное на рисунке 5b, представляет собой среднюю энергию, выделяемую на одну частицу (ε), как функцию толщины детектора, пересекаемой лучом.Для сенсора толщиной 100 мкм это составляет ε = 57 эВ / фот для моноэнергетического пучка 1 МэВ и ε = 42 эВ / фот для пучка LINAC мощностью 6 МВ. Однако, используя меньшую толщину 20 мкм, эта величина может быть уменьшена более чем в 10 раз (4,6 эВ / фот и 3,5 эВ / фот , соответственно).

Рис. 5. (a) Средняя энергия, выделяемая на фотон в срезах 1 мкм вдоль z . (b) Накопленная энергия, выделяемая на фотон, как функция от пройденной толщины.На каждой части рисунка две кривые относятся к моноэнергетическому пучку 1 МэВ и пучку LINAC 6 МВ.

Исследование было повторено для электронного пучка с энергией 6 МэВ, показав более равномерное выделение энергии примерно на три порядка больше, чем для фотонов, ~ 0,4 кэВ / μ м на частицу, что привело к ε = 40 кэВ / электр. Сенсор толщиной 100 мкм.

Хотя и рассматривая зависимость распределения потерь энергии от толщины кремниевого сенсора [18], мы решили предположить постоянное выделение энергии на единицу длины 0.4 кэВ / μ м . Таким образом, мы приняли ошибку в 2 раза в худшем случае, признав, что настоящая работа направлена ​​на обеспечение приближенной оценки порядков величины, задействованной в сценариях облучения вспышками.

Чтобы связать плотность потока энергии фотонов, проходящих через датчик (ϕ в уравнении 1), с мощностью дозы Δ D / Δ t , грубая оценка может быть получена из закона ослабления интенсивности фотонов

, где I _o — интенсивность падающего излучения, I — интенсивность передачи, μ — линейный коэффициент затухания и x — толщина поглотителя.Таким образом, изменение интенсивности Δ I = I ₀ — I представляет собой вложенную энергию Δ E в единицу времени и толщину поверхности x . Для небольшой толщины получается

, где ϕ = N / S · Δ t — плотность потока фотонов с энергией E _o . Мощность дозы, то есть вложенная энергия Δ E на единицу массы и времени при толщине x , может быть выражена с помощью уравнения 3 как

, что приводит к следующему соотношению между мощностью потока частиц и мощностью дозы:

В качестве примера, для пучка фотонов с E _o = 1 МэВ, с мощностью дозы 1 Гр / с и с использованием воды μρ (1 МэВ) ≈5 × 10-2 см2 / г плотность потока энергии будет ϕ ~ 1011 фотонов см2 · с.

Однако в медицинской практике доза определяется с использованием стандартной процедуры, поскольку преобразование дозы в флюенс пучка частиц зависит от параметров поля и от процедуры, используемой для измерения дозы. Действительно, в стандартных протоколах доза измеряется на глубине максимума дозы в водном фантоме (с поверхностью в изоцентре машины, т.е.е., обычно на расстоянии 100 см от источника) вдоль оси квадрата 10 × 10 см ² однородного поля облучения [7, 8].

Для оценки эталонной дозы было выполнено моделирование методом Монте-Карло с использованием кода Geant4. Параллельные пучки фотонов с энергией 1 МэВ, фотоны с энергетическим спектром LINAC 6 МВ и электроны с энергией 6 МэВ использовались в качестве источников для доставки однородного поля дозы 10 × 10 см ² в поле 40 × 40 × 40 см ³ водный фантом. Фантом был разделен на 64000 вокселей объемом 1 см ³ , где средняя доза определялась как энергия, выделяемая в вокселе, деленная на массу воксела.

На рисунке 6 верхние графики показывают карту распределения дозы в центральной плоскости yz , полученную с помощью трех смоделированных лучей, тогда как нижние графики показывают дозу как функцию глубины фантома вдоль центральной оси облучаемого поля. Следуя стандартной процедуре, доза D _max — это доза, измеренная в максимуме вдоль центральной оси поля облучения (нижний график на Рисунке 6). Для каждой из трех симуляций также указывается количество использованных частиц N _sim .Исходя из этих результатов, плотность потока частиц ϕ для данной мощности дозы Δ D / Δ t может быть выражена следующим образом:

, где A = 10 × 10 см ² представляет собой размер поля.

Рисунок 6 . Верхние графики: карты смоделированного распределения дозы, выраженные в Гр, усредненные в 1 см ³ вокселей в центральной плоскости yz . Нижние графики: распределение доз по центральной оси (т. Е. По пунктирным линиям на верхних графиках).Результаты соответствуют однородному полю 10 × 10 см ² в водном фантоме 40 × 40 × 40 см ³ , облученном моноэнергетическими фотонами (A), , 1 МэВ, (B), фотонами от LINAC мощностью 6 МВ, и (C) электронов с энергией 6 МэВ. Сообщается количество частиц N _sim , использованных в моделировании.

Рассматривая, например, мощность дозы 1 Гр / с, уравнение 6 дает следующие значения плотности потока энергии

для пучка фотонов 1 МэВ, для пучка фотонов LINAC 6 МВ и для пучка электронов 6 МэВ соответственно. Коэффициенты плотности потока энергии для фотонов согласуются с грубым расчетом, основанным на уравнении 5.

Из этих значений, взвешенных с фактической мощностью дозы и с использованием уравнения 1, скорость образования заряда в кремнии может быть получена для различных лучей, мощностей дозы, площади сенсора и толщины.

В таблице 2 представлена ​​ожидаемая скорость образования заряда в кремниевой массе чувствительного элемента вместе с общим зарядом, произведенным в импульсе длительностью 5 мкс, для различных сценариев: большого (1 мм ² ) и малого (50 × 50 мкм ² ) размеры пикселей, нормальные (100 мкм) и очень тонкие (20 мкм) датчики, нижний и верхний предел мгновенных мощностей дозы FLASH, как сообщается в литературе.

Таблица 2 . Скорость производства заряда и общий заряд, производимый в импульсе 5 мкс (в скобках) в элементе детектора для различных лучей, мощностей дозы, площади пикселей и толщины сенсора.

Обсуждение

FLASH-облучение требует разработки новых систем для контроля плотности потока пучка при сверхвысоких мощностях дозы. Детекторы должны соответствовать требованиям клиник и клиник, чтобы разработать полную систему, на 100% надежную, способную работать в рамках существующих ускорителей.

Возможности и ограничения кремниевых детекторов, хорошо известных в традиционной RT для проверки относительной дозы, изучаются в этих чрезвычайно сложных условиях. Согласно предварительным исследованиям, представленным в этой работе, конструкция кремниевого датчика и его считывающей электроники требует значительных технологических усилий, чтобы позволить считывать заряд, производимый в импульсах луча FLASH.

Как показано в таблице 2, активную толщину датчиков необходимо уменьшить до нескольких десятков микрон.Действительно, установлено, что для фотонных пучков уменьшение толщины со 100 до 20 мкм снижает выделяемую энергию более чем в 10 раз. Чтобы ограничить эффект накопления заряда в датчике, активная область должна быть подвергается воздействию луча с минимумом мертвого материала перед ним. Технологии обработки, которые сочетают считывание обратной стороны с процедурами утонения через влажное травление [19], могут быть использованы для достижения этой цели. У тонких сенсоров есть дополнительное преимущество, учитывая малое время сбора заряда, заключающееся в уменьшении вероятности рекомбинации заряда в кремнии, что приводит к лучшим характеристикам, особенно при больших плотностях энергии [20].Уменьшение площади пикселей позволяет сократить заряд, производимый в каждом сенсорном элементе, но увеличивает количество каналов считывания и уменьшает площадь, доступную для реализации внешнего интерфейса схемы. С другой стороны, считывание увеличивающегося числа пикселей потребует реализации стратегий сокращения данных, чтобы избежать передачи ненужной информации.

Чтобы найти наилучший компромисс и оптимизировать конструкцию детектора, необходимо должным образом рассмотреть каждый из вышеупомянутых аспектов, а также принять во внимание другие эффекты при точном моделировании, например, вклад в энергию, выделяемую в датчике. обратнорассеянных частиц.

Данные, представленные в Таблице 2, также говорят о том, что описанная стратегия кремниевый сенсор + считывающая электроника может правдоподобно иметь дело со всем диапазоном мощности дозы FLASH для фотонов, но только с нижним пределом диапазона мощности дозы для электронов. В самом деле, огромный поток поступающих электронов, вероятно, приведет к образованию плазмы внутри кремния, что может привести к короткому замыканию. Стоит отметить, что мы могли в два раза переоценить, в худшем случае, энергию, выделяемую на мкм сенсора в случае электронов, поскольку было продемонстрировано, что это зависит от рассматриваемой толщины сенсора (20 или 100 мкм в нашем исследовании) [18].Однако эта ошибка не меняет общих выводов об электронном FLASH-облучении. Интересно отметить, что хотя почти все доступные до сих пор доклинические исследования FLASH проводились с использованием однократного облучения, недавно были получены первые доказательства изоэффективности режима гипофракционирования FLASH. Это предполагает возможность использования FLASH RT в качестве «ускорения» в начале лечения с мгновенной мощностью дозы <10 ⁶ (фотоны) и 10 ⁷ (электроны) Гр / с, за которыми следует высокоточная традиционная RT [21].Более того, появление FLASH-терапии с использованием электронных пучков, вероятно, будет предшествовать терапии с использованием фотонов, поскольку получение фотонных пучков со сверхвысокой мощностью дозы сопряжено с большим количеством осложнений [21]. Следовательно, стоит изучить новый надежный детектор на основе кремния, начиная с решения неизвестных, но ожидаемых условий, таких как создание плазмы в кремнии и насыщение.

Выводы

В этой работе мы сообщаем о физических и технологических проблемах мониторинга высоких и сверхвысоких мощностей доз с помощью пучков электронов и фотонов, начиная с доклинических и клинических ограничений для новых устройств.С этой целью, на основе обширного опыта создания кремниевых детекторов для мониторинга приложений в RT с помощью внешних лучей, описаны технологические усилия, необходимые для разработки кремниевого устройства и его считывающей электроники. Наши предварительные исследования показали, что эта технология может позволить контролировать пучки фотонов во всем диапазоне мощности дозы FLASH, но может иметь дело только с нижним пределом диапазона мощности дозы для электронов. Однако это ограничение не отрицает, что кремниевый датчик может быть жизнеспособным вариантом для мониторинга FLASH RT, по крайней мере, до сценариев достижимой мощности дозы, начиная с углубления знаний об ожидаемых явлениях, таких как образование плазмы внутри кремния.

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

Авторские взносы

AV, SG и FM разработали работу под контролем RC, VM и RS. AV, SG и OM исследовали кремниевую часть, в то время как FF и GM сосредоточились на части работы, связанной со считыванием электроники. FM и ZS выполнили моделирование и расчеты. Все авторы обсудили результаты, внесли свой вклад в написание рукописи и одобрили представленную версию.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Сноска

Список литературы

1. Фаводон В., Каплиер Л., Монсо В., Пузуле Ф., Саярат М., Фуйяд С. и др. Облучение FLASH сверхвысокой мощности дозы увеличивает дифференциальный ответ между нормальной и опухолевой тканями у мышей. Sci Transl Med. (2014) 6 : 1–10. DOI: 10.1126 / scitranslmed.3008973

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст

2. Фиорино К., Гукембергер М., Шварц М., ван дер Хайде У.А., Хеймен Б. Технологические исследования для инноваций в лучевой терапии. Мол Онкол. (2020) 14 : 1500–13. DOI: 10.1002 / 1878-0261.12659

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

4. Бурхис Дж., Соцци В. Дж., Хорхе П. Г., Гайде О, Байлат С., Дюкло Ф. и др.Лечение первого пациента с помощью FLASH-лучевой терапии. Radiother Oncol. (2019) 139 : 18–22. DOI: 10.1016 / j.radonc.2019.06.019

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

6. Бруцци М. Ядерные инструменты и методы в физике исследования новых кремниевых устройств для мониторинга лучевой терапии. Монитор для лучевой терапии Novel Silicon Devices . (2016) 809 : 105–12. DOI: 10.1016 / j.nima.2015.10.072

CrossRef Полный текст | Google Scholar

7.Mayles P, Nahum A, Rosenwald JC. Справочник по физике лучевой терапии: теория и практика . Бока-Ратон, Флорида: Группа Тейлор и Фрэнсис, CRC Press (2007). п. 1–1453. DOI: 10.1201 / 9781420012026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

8. Международное агентство по атомной энергии. Определение поглощенной дозы при дистанционной лучевой терапии . Серия технических отчетов № 398, МАГАТЭ, Вена (2001).

Google Scholar

9. Возенин М.С., Хендри Дж. Х., Лимоли, CL.Биологические преимущества лучевой терапии со сверхвысокой мощностью дозы FLASH: спящая красавица проснулась. Clin Oncol. (2019) 31 : 407–15. DOI: 10.1016 / j.clon.2019.04.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

10. Грин Д., Уильямс П. Линейные ускорители для лучевой терапии . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press (2017). DOI: 10.1201 / 9780429246562

CrossRef Полный текст | Google Scholar

11. Жаккард М., Дуран М.Т., Петерссон К., Жермонд Дж.Ф., Лигер П., Возенин М.К. и др.Дозиметрия пучка электронов с высокой дозой за импульс: ввод в эксплуатацию прототипа линейного ускорителя Oriatron eRT6 для доклинических исследований: ввод в эксплуатацию. Med Phys. (2018) 45 : 863–74. DOI: 10.1002 / mp.12713

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

12. Kry S, Popple R, Molineu A, Followill D. SU-E-T-375: поправочные коэффициенты ионной рекомбинации (Pion) для терапевтических лучей с высокой мощностью дозы истинного луча. Med Phys. (2012) 39 : 3790.DOI: 10.1118 / 1.4735462

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

13. Хорхе П.Г., Жаккард М., Петерсон К., Гондре М., Дуран М.Т., Десоргер Л. и др. Дозиметрические и подготовительные процедуры для облучения биологических моделей импульсным электронным пучком при сверхвысокой мощности дозы. Radiother Oncol. (2019) 139 : 34–9. DOI: 10.1016 / j.radonc.2019.05.004

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

15. Фаусти Ф., Мазза Г., Аттили А., Мазинани М. Ф., Джорданенго С., Лаваньо М. и др.Разработка и характеристика 64-канальной входной электроники ASIC для детекторов пучка частиц с большим потоком. Nucl Instr Method Phys Res Sect A Accel Spectrometers Detect Associp. (2017) 867 : 25. DOI: 10.1016 / j.nima.2017.04.025

CrossRef Полный текст | Google Scholar

16. Ла Роса А., Мацца Г., Донетти М., Маркетто Ф., Луэтто Л., Аттили А. и др. Разработка и испытание 64-канальной ASIC для измерения заряда, разработанной по технологии CMOS 0,35 мкм. Nucl Instr Method Phys Res Sect A Ускоренные спектрометры Detect Associp .(2007) 583 : 461–8. DOI: 10.1016 / j.nima.2007.09.024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

18. Мероли С., Пассери Д., Серволи Л. Измерение потерь энергии для заряженных частиц в очень тонких слоях кремния. J Instrum. (2011) 6 : P06013. DOI: 10.1088 / 1748-0221 / 6/06 / P06013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

19. Рихтер Р.Х., Андричек Л., Фишер П., Хайнцингер К., Лехнер П., Лутц Г. и др. Конструкция и технология пиксельных датчиков DEPFET для приложений линейных коллайдеров. Nucl Instr Method Phys Res Sec A . (2003) 511 : 250–6. DOI: 10.1016 / S0168-9002 (03) 01802-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

20. Петасекка М., Москателли Ф., Пигнател ГУ. Анализ и моделирование эффективности сбора заряда в кремниевых тонких детекторах. Nucl Instr Method Phys Res Sect A . (2005) 546 : 291–5. DOI: 10.1016 / j.nima.2005.03.051

CrossRef Полный текст | Google Scholar

21. Бурхис Дж., Монте-Грюэль П., Гонсалвес Хорхе П., Байла С., Пети Б., Оливье Дж. И др.Клинический перевод лучевой терапии FLASH: почему и как? Radiother Oncol. (2019) 139 : 11–7. DOI: 10.1016 / j.radonc.2019.04.008

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Что такое фотон?

Фотон может быть самой известной из элементарных частиц. Двигаясь со скоростью света, частицы ежедневно бомбардируют нас с Солнца, Луны и звезд. Более века ученые и инженеры использовали их в совокупности для освещения наших городов, а теперь и наших экранов.

Сегодня исследователи могут управлять фотонами с большей точностью, чем когда-либо прежде. В Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в Мэриленде физик Паулина Куо создает и манипулирует фотонами индивидуально. Освещая специально разработанные кристаллы лазерным светом в своей лаборатории, Куо производит двойные фотоны, которые она может разделить на одиночные фотоны. Направляя их к определенным материалам, которые поглощают частицу, создавая фотоны разных цветов, она может эффективно изменять цвет фотона, сохраняя при этом закодированную в нем информацию.

Например, она разработала кристалл, удваивающий частоту входного фотона, что позволяет преобразовывать красный и инфракрасный свет. «Вы можете соединить два фотона вместе или разделить один фотон на два», — говорит она. «Или даже процессы более высокого порядка. Вы можете объединить три фотона в один или разделить один фотон на три». В дополнение к этим методам она использует современные детекторы одиночных фотонов, сделанные из сверхпроводящих проводов, которые становятся несверхпроводящими, когда поглощают одиночный фотон.Эти типы детекторов обеспечивают высокоточный подсчет, обнаруживая фотоны с эффективностью до 99 процентов.

Эта однофотонная технология станет основой будущего квантового Интернета, предлагаемой глобальной сети устройств для передачи данных, закодированных в одиночных фотонах и других квантовых частицах. Эти данные будут представлены в квантовых свойствах частицы, таких как поляризация фотона. В отличие от классических данных, которые могут быть представлены только как 0 или 1, так называемая квантовая информация принимает значения, которые представляют собой взвешенные комбинации 0 и 1, что позволяет использовать новые, потенциально более мощные вычислительные алгоритмы и новые протоколы шифрования.

По словам Куо, для квантового Интернета существует множество инженерных проблем, таких как проблемы с потерей сигнала. Но исследователи — и их правительства — строят амбициозные планы. В 2016 году Европейский Союз начал инициативу по квантовым технологиям стоимостью 1 миллиард евро. В августе этого года в США было создано пять центров квантовых исследований для ускорения разработки квантовых технологий, и в течение следующих пяти лет было обещано до 625 миллионов долларов. Физик Пан Цзянь-Вэй, который руководил запуском в 2016 году китайского спутника квантовой технологии стоимостью 100 миллионов долларов и его последующих проектов, описал цель создания глобального квантового Интернета к 2030 году.

Многие эксперты окрестили нынешнюю эру однофотонной технологии «второй квантовой революцией», сдвигом парадигмы, когда ученые не только понимают противоречащие интуиции принципы квантовой механики — запутанность, суперпозицию и дуальность волна-частица — но и могут их использовать. в технологиях. Фотон больше не просто объект изучения, а инструмент.

Так что же такое фотон? Куо дает круговой ответ. «Фотон — это щелчок, регистрируемый однофотонным разрешающим детектором», — говорит она.

более расплывчатых слов, чем у Куо. Это волна и частица света, или это квантование электромагнитного поля. Или «Заткнись и посчитай» — фраза, знакомая каждому, кто ломал голову над квантовой механикой.

«У вас могут возникнуть проблемы, если вы дадите фотону слишком много реальности», — говорит физик Алан Мигдалл из NIST.

«Люди спорили об этом более 100 лет», — говорит физик Эфраим Стейнберг из Университета Торонто.«Я не думаю, что мы пришли к консенсусу».

Физики начали спорить о фотоне, как только они его обнаружили. Те самые ученые, которые придумали частицы, скептически относились к их существованию в природе. Чтобы объяснить противоречивые экспериментальные данные о связи температуры объекта и испускаемого им излучения, в 1900 году немецкий физик Макс Планк предположил, что излучение приходит в дискретных количествах или квантах. Так родилась концепция фотона.Но Планк не понимал всей глубины своей идеи. Позже он описал свой прорыв как «акт отчаяния» — необоснованный трюк, заставляющий математику работать.

Альберт Эйнштейн тоже сопротивлялся применению теории фотонов, которую он помог разработать. Его особенно беспокоила запутанность, идея о том, что судьбы двух частиц могут быть переплетены, даже если они находятся далеко друг от друга. Теория предполагала, например, что если вы измерили поляризацию одного фотона в запутанной паре, вы сразу же узнали бы поляризацию другого, даже если две частицы были разделены на противоположные концы солнечной системы.Запутанность предполагает, что объекты могут влиять друг на друга с произвольного расстояния, что называется нелокальностью, которую Эйнштейн высмеивал как «жуткое действие на расстоянии». Предпочитая реальность, в которой объекты должны находиться поблизости, чтобы оказывать влияние друг на друга, он считал, что теория квантовой механики неполна. «Это определенно вызвало у Эйнштейна несварение желудка», — говорит Мигдалл.

В течение десятилетий споры о фотоне в основном относились к сфере мысленных экспериментов, поскольку проверить эти идеи было технологически невозможно.По словам Стейнберга, в последнее время дебаты в физическом сообществе стали шире, поскольку источники и детекторы одиночных фотонов становятся лучше и доступнее. «Мы можем проводить эти эксперименты, а не просто воображать их, как кот Шредингера», — говорит он.

Например, физики почти подтвердили существование запутанности. Десятилетия экспериментов, известных как проверка неравенства Белла, теперь убедительно показывают, что Эйнштейн был неправ — и что наша Вселенная нелокальна.

Эти тесты основаны на экспериментальной схеме, разработанной британским физиком Джоном Стюартом Беллом в 1964 году. В теоретической работе Белл показал, что если повторить измерения якобы запутанных частиц, статистика может показать, действительно ли фотоны влияют друг на друга нелокально, или если неизвестный механизм, известный как «локальная скрытая переменная», создает иллюзию действия на расстоянии. На практике тесты в основном включали разделение пар запутанных фотонов по двум разным путям для измерения их поляризации на двух разных детекторах.

Физики проводят испытания Белла с 1970-х годов, и все опубликованные эксперименты показывают, что фотоны могут жутко действовать на расстоянии, как объясняет физик Дэвид Кайзер из Массачусетского технологического института. Однако, несмотря на единодушные результаты, эти ранние эксперименты были безрезультатными: технологические недостатки означали, что их эксперименты страдали от трех потенциальных конструктивных ограничений или лазеек.

Первая лазейка, известная как локальная лазейка, возникает из-за того, что два детектора поляризации находятся слишком близко друг к другу.Теоретически было возможно, что один детектор мог передать сигнал другому детектору прямо перед испусканием запутанных фотонов, что повлияло на результат измерения локально.

Вторая лазейка, названная лазейкой честной выборки, возникла из-за некачественных детекторов одиночных фотонов. Эксперты утверждали, что детекторы могли уловить предвзятое подмножество фотонов, искажая статистику. Желание закрыть эту лазейку, говорит Мигдалл, привело к разработке более совершенных детекторов одиночных фотонов, которые сейчас обычно используются в квантовых технологиях.

Третья лазейка, лазейка свободы выбора, связана с настройками поляризационного детектора. Чтобы получить действительно объективную статистику по большому количеству измерений поляризации, ориентация детектора поляризации должна быть произвольно сброшена для каждого измерения. Трудно гарантировать случайность, поскольку в ранних экспериментах исследователи кропотливо настраивали детекторы вручную.

По словам Кайзера, недавние эксперименты закрыли все три лазейки, хотя и не одновременно в одном тесте.В 2015 году группа под руководством физика Рональда Хэнсона из Технологического университета Делфта провела тест Белла, который впервые закрыл лазейки для честной выборки и определения местоположения, хотя и с использованием запутанных электронов, а не фотонов.

, опубликованная в 2018 году, группа ученых из Института фотонных наук в Испании поручила 100000 добровольцев сыграть в видеоигру для генерации случайных чисел, которые ученые использовали для настройки своих тестовых детекторов Bell, чтобы ограничить лазейку в свободе выбора.

Кайзер работал над другим экспериментом, опубликованным в 2018 году, получившим название «Тест космического колокола», который закрыл лазейку на местности и жестко ограничил лазейку свободы выбора, установив ориентацию их поляризационного детектора с помощью генератора случайных чисел на основе частоты света. испущен двумя звездами на расстоянии 600 и 1900 световых лет соответственно.

Результаты убедительно подтверждают нелокальность запутанности. «Несварение желудка, которое было у Эйнштейна с квантовой механикой — если бы он был здесь сегодня, вы бы сказали ему, что ему просто придется с этим справиться», — говорит Мигдалл.

Физик Александра Ландсман из Университета штата Огайо описывает фотон как «квант энергии», что близко соответствует первоначальным представлениям физиков о частице. В статье 1905 года Эйнштейн описал свет как дискретные пакеты энергии, пропорциональные его частоте, чтобы объяснить так называемый фотоэлектрический эффект. Ученые заметили, что материалы поглощают свет для выброса электронов, но только тогда, когда частота света меньше некоторого порогового значения.Объяснение Эйнштейна, за которое он был удостоен Нобелевской премии в 1921 году, помогло дать толчок развитию квантовой теории.

Новая лазерная технология позволила исследователям более подробно рассмотреть фотоэлектрический эффект. Аттосекундные лазеры, изобретенные в 2001 году, доставляют световые импульсы длительностью менее квадриллионной секунды, что позволяет физикам наблюдать действие в квантовом масштабе, как камера с рекордной выдержкой. В частности, физики используют сверхбыстрые лазеры для определения времени фотоэлектрического эффекта: когда фотон сталкивается с атомом или молекулой, сколько времени требуется для выброса электрона? «В прошлом люди полагали, что этот процесс происходит мгновенно, — говорит Ландсман.«Не было возможности ответить на этот вопрос экспериментально».

В 2010 году группа под руководством физика Ференца Крауса, работавшего тогда в Венском технологическом университете, провела эксперимент, показавший, что выброс электрона из атома требует времени. Хотя они не измеряли абсолютное время, они могли различить, что электрону требуется примерно на 20 аттосекунд больше, чтобы покинуть орбиталь 2p по сравнению с орбитали 2s атома неона. Последующие эксперименты других групп позволили измерить время эмиссии электронов в таких молекулах, как вода и закись азота.

Ландсман, теоретик, пытается понять, почему электроны покидают одни молекулы быстрее, чем другие. Некоторые молекулы, например, ограничивают электрон в пространстве, так что электрон образует стоячую волну. Это состояние, известное как резонанс формы, временно захватывает электрон, замедляя его вылет. В конце концов, Ландсман хочет выяснить все факторы, которые задерживают атомы и молекулы от высвобождения электрона до нуля, в зависимости от того, как долго фотон и электрон встречаются друг с другом.«Эти эксперименты дают нам больше информации о том, как фотон взаимодействует с электроном», — говорит она.

Златко Минев, однако, не считает фотон квантом энергии. Минев, физик из IBM, исследует, как построить квантовый компьютер. По его словам, в этом новом технологическом контексте фотоны проявляются иначе.

Минев проводит эксперименты со схемами из сверхпроводящих проводов, которые можно использовать в качестве кубитов, которые являются строительными блоками квантовых компьютеров.Эти схемы предназначены для поглощения одиночного фотона с заданной энергией, где поглощение фотона может представлять состояние 1 в квантовом компьютере. Как только кубит поглощает один фотон, его реакция меняется, так что он больше не будет поглощать фотоны с этой энергией.

Традиционное представление о фотоне как о «кванте энергии» не подходит для этих схем, говорит Минев, который называет эти системы квантовыми нелинейными осцилляторами. «Вы можете спросить, что значит иметь два фотона в моем осцилляторе? Это две единицы энергии?» он говорит.«В данном случае это не так, потому что каждый дополнительный фотон в осцилляторе на самом деле имеет разное количество энергии. В данном случае энергия не определяет фотон».

Так как он описывает фотон? «Я не уверен, что смогу дать вам ответ, состоящий из одного предложения», — говорит Минев. «В настоящее время я пересматриваю свое понимание». В настоящее время он думает, что фотон — это «квант действия», где «действие» относится к абстрактной величине, описывающей допустимое поведение его системы.

По мере того, как физики пересматривают основы, эти новые эксперименты проливают свет на связь между фундаментальной наукой и приложениями.Квантовая интернет-технология Куо имеет общие предки с оборудованием, используемым в тестах Bell на запутанность. Исследования Минева его нелинейного осциллятора помогают ему разработать методы исправления ошибок в квантовых компьютерах. Исследования Ландсмана фотоэлектрического эффекта в молекулах могут раскрыть ключи к его электронным свойствам, что в конечном итоге может предоставить ученым новые возможности для создания материалов с желаемыми характеристиками. Мигдалл говорит, что исследователи используют тесты Белла для проверки случайности в новых моделях генераторов случайных чисел, которые используют запутанные частицы.

Тем не менее, истинная природа фотона ускользает от физиков. «Все пятьдесят лет сознательного размышления не приблизили меня к ответу на вопрос: что такое световые кванты?» Эйнштейн написал письмо 1951 года. «Конечно, сегодня каждый негодяй думает, что знает ответ, но он обманывает себя».

Возможно, он ошибался насчет запутанности, но спустя семь десятилетий коллективных размышлений это мнение все еще сохраняется.

София Чен участвует в WIRED, Science, и Physics Girl. Она — писатель-фрилансер из Колумбуса, штат Огайо.

Термодинамические пределы сбора энергии от исходящего теплового излучения

Значение

Большая часть исследований в области возобновляемых источников энергии была сосредоточена на получении энергии от солнечного излучения. Но для того, чтобы Земля могла поддерживать свою температуру, она должна излучать в космическое пространство количество энергии, примерно равное приходящей солнечной радиации.Однако гораздо меньше известно о теоретических пределах сбора мощности от такого исходящего излучения. Здесь мы идентифицируем двойственную связь между сбором входящего и исходящего теплового излучения и используем его, чтобы вывести фундаментальные пределы сбора исходящего теплового излучения. Наши результаты указывают на теоретический предел, который намного превышает то, что ранее считалось возможным, и подчеркивают значительный потенциал сбора исходящего теплового излучения для использования в возобновляемых источниках энергии.

Abstract

Мы выводим термодинамические пределы сбора энергии из исходящего теплового излучения из окружающей среды в холодное космическое пространство. Выводы основаны на соотношении двойственности между тепловыми двигателями, которые собирают солнечную радиацию, и теми, которые собирают исходящую тепловую радиацию. В частности, мы выводим конечный предел для сбора исходящего теплового излучения, который аналогичен пределу Ландсберга для сбора солнечной энергии, и показываем, что конечный предел намного превышает то, что ранее считалось возможным.Продолжая нашу работу, мы также определяем предел эффективности термофотоэлектрических систем.

Учитывая любой тепловой поток через разницу температур, можно построить двигатель, который извлекает работу из этого потока. Солнце, являясь нашим основным источником тепла, обеспечивает лучистый тепловой поток, который поддерживает как температуру окружающей среды, так и биохимические процессы на Земле. Значительная часть литературы по преобразованию возобновляемой энергии сосредоточена на фундаментальном ограничении сбора теплового потока от Солнца к Земле (1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓ – 10).Для термодинамического анализа в этой статье мы называем эту ситуацию «положительным освещением», когда термодинамический преобразователь, размещенный на Земле (например, солнечный элемент), получает чистый радиационный тепловой поток и преобразует его часть в работу.

С другой стороны, чтобы Земля могла поддерживать свою температуру, она также должна излучать тепловой поток, примерно равный входящему тепловому потоку от Солнца. Поскольку Солнце занимает очень мало места при взгляде с поверхности Земли, большая часть излучения Земли излучается в холодное космическое пространство.Тепловой поток от Земли в космическое пространство также может быть использован для сбора возобновляемой энергии. Мы называем эту последнюю ситуацию «отрицательным освещением», когда термодинамический преобразователь, размещенный на Земле, стремится преобразовать часть исходящего потока излучения в работу.

В последние годы растет интерес к использованию исходящего потока излучения для возобновляемых источников энергии. Значительный прогресс был достигнут в радиационном охлаждении, которое направлено на пассивное понижение температуры объекта ниже температуры окружающего воздуха (11⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓ – 22) за счет излучения тепла во внешнее пространство.При достижении радиационного охлаждения можно организовать работу теплового двигателя между окружающей средой и таким охлаждаемым объектом для извлечения работы. Таким образом, мотивированный экспериментальными разработками радиационного охлаждения, было проведено несколько теоретических анализов объема работы, которая в принципе может быть извлечена из исходящего радиационного потока (23⇓⇓⇓⇓ – 28).

В этой статье мы обсуждаем фундаментальные термодинамические пределы количества энергии, которое может быть получено из исходящего потока излучения.Мы показываем, что конечный предел может быть получен аналогично выводу предела Ландсберга при преобразовании солнечной энергии. Этот конечный предел приводит к удельной мощности извлекаемой работы, которая намного превышает то, что ранее считалось возможным для сбора исходящего теплового излучения. При выводе этих пределов мы также отмечаем интересное соотношение двойственности между случаями положительного и отрицательного освещения. В результате этой двойственности каждый основной фундаментальный предел в случае положительного освещения для сбора входящего солнечного излучения имеет соответствующий предел в случае отрицательного освещения для сбора исходящего теплового излучения.

Эта статья организована следующим образом. В Blackbody Limit мы кратко обсуждаем известные результаты черных пределов положительного и отрицательного освещения, чтобы заложить основу для остальной части статьи. В Multicolor Limit мы обсуждаем многоцветные пределы положительного и отрицательного освещения. В Предел Ландсберга мы обсуждаем предел Ландсберга, который является окончательным теоретическим пределом для сбора входящего солнечного излучения, и расширяем его на случай отрицательного освещения, чтобы получить окончательный предел сбора исходящего теплового излучения.В статье «Приближение к пределу эффективности Карно в термофотоэлектрической системе» , как продолжение нашего теоретического анализа, мы приводим вывод конечного предела эффективности термофотоэлектрических систем. Мы завершаем Резюме .

Предел Черного тела

Чтобы проиллюстрировать соответствие между различными фундаментальными ограничениями при положительном и отрицательном освещении, мы начнем с краткого обсуждения хорошо известного результата преобразования солнечной энергии, касающегося предельной эффективности солнечных термофотоэлектрических систем и его связи с ограничение на получение энергии от тепловых выбросов Земли, как показано в исх.24. В этой статье мы следуем соглашению исх. 8 в отношении различных пределов. Пределы, рассматриваемые в этом разделе, например, называются пределами черного тела.

Предельный КПД солнечных термофотоэлектрических систем получен (8, 29) с использованием установки, показанной на рис. 1 A . В этой установке промежуточное черное тело при постоянной температуре Tc получает чистый радиационный тепловой поток от источника (такого как Солнце) в Ts и преобразует часть этого тепла для работы через двигатель Карно, который использует черное тело в качестве источник тепла и окружающая среда при температуре Ta в качестве радиатора.Работа, извлекаемая двигателем Карно, равна W˙ = σ (Ts4-Tc4) (1-Ta / Tc), где первый фактор — это тепловыделение для черного тела в результате радиационного обмена между ним и источником тепла, а второй — Фактором является эффективность Карно. Здесь σ — постоянная Стефана – Больцмана. Предполагая, что Ts = 6000 K, что приблизительно соответствует температуре Солнца и температуре окружающей среды Ta = 300 K, система достигает максимальной эффективности η = W˙ / σTs4 = 85,4%, когда промежуточное черное тело находится при оптимальной температуре Tc. = 2,544 К.

Установки для получения пределов сбора энергии черного тела при положительном освещении ( A ) и отрицательном освещении ( B ). Температуры Солнца, окружающей среды и космического пространства соответственно равны Ts, Ta и To. Прямоугольники с черными контурами представляют собой черные тела при указанных температурах и имеют оттенок от белого (горячее) до темно-серого (холодное). Черные стрелки указывают направление теплового потока. Круглые диски представляют собой двигатели Карно.Промежуточный поглотитель / излучатель черного тела имеет установившуюся температуру Tc, и работа, извлекаемая двигателем Карно, достигается установкой чистого теплового потока, полученного этим промежуточным черным телом, на ноль.

Установка, связанная с рис. 1 A , показанная на рис. 1 B , использовалась для получения предела на сбор исходящего теплового излучения в исх. 24. В этой установке промежуточный излучатель черного тела, обращенный к холодному космическому пространству при температуре To, понижает свою температуру Tc до температуры ниже окружающей температуры Ta в процессе радиационного охлаждения.Затем двигатель Карно может работать между окружающим и промежуточным черным телом для извлечения работы. Работа, извлекаемая двигателем Карно, равна W˙ = (Ta / Tc − 1) ⋅σ (Tc4 − To4), где второй фактор — это чистый поток излучения, испускаемый промежуточным черным телом в космическое пространство, а первый фактор возникает от отношения между извлеченной работой и отбрасываемым теплом в поглотитель двигателем Карно. Для температуры окружающей среды Ta = 300 K и холодного космического пространства, принимаемого при To = 3 K, извлекаемая работа максимальна до 48.4 Вт / м2 при Tc = 225,1 К.

Здесь мы отмечаем важное различие между результатами, касающимися эффективности, например, для солнечных или термофотоэлектрических систем, и результатами, касающимися плотности мощности, которая является более важным критерием для сбора энергии за счет радиационного охлаждения. . Пределы эффективности не зависят от концентрации входящего или выходящего излучения при условии, что выполняется соответствующий угловой выбор (30), чтобы минимизировать ненужное излучение или поглощение. Однако плотность мощности, безусловно, зависит от концентрации излучения.Чтобы проиллюстрировать максимальную плотность мощности, которая может быть получена при отрицательном освещении, мы предполагаем максимальную концентрацию для всех наших результатов в этой статье, то есть, что тела излучают и поглощают в полусферическом телесном угле 2π.

Важно отметить, что установки положительного и отрицательного освещения, показанные на рис. 1 A и B , демонстрируют поразительное соотношение двойственности в расположении их компонентов. Эти две установки могут быть сопоставлены друг с другом путем замены двигателя Карно и элемента радиационного теплообмена с соответствующими изменениями температуры резервуаров.В следующих разделах мы используем это отношение дуальности для получения пределов отрицательной освещенности, которые могут значительно превышать предел черного тела.

Multicolor Limit

Известно, что для преобразования солнечной энергии КПД выше, чем у установки, показанной на рис. 1 A , благодаря установке, показанной на рис. 2 A . В этой установке солнечный свет сначала проходит через спектральный разделитель, который разделяет его на различные спектральные составляющие. Затем каждая спектральная составляющая направляется на нагрев «цветного» поглотителя, который имеет единичную поглощающую способность в этом конкретном спектральном компоненте и нулевую поглощающую способность во всем остальном.Затем двигатель Карно работает между каждым таким поглотителем и окружающей средой для извлечения работы. Здесь температура каждого поглотителя может быть оптимизирована независимо, в результате чего эффективность превышает предел абсолютно черного тела. Оптимальная температура поглотителей, обозначенная как T (ω) для поглотителя, работающего на частоте ω, показана на рис. 2 C . Он изображает монотонную зависимость от частоты; то есть поглотитель, работающий на более высокой частоте, имеет более высокую оптимальную температуру. Получив T (ω), максимальная работа, извлеченная из установки на рис.2 A isW˙ = ∫0∞dω (1 − TaT (ω)) ω24π2c2 [Θ (ω, Ts) −Θ (ω, T (ω))], [1] где Θ (ω, T) = ℏω / (exp (ℏω / kT) −1). Используя эту процедуру, многоцветный предел эффективности преобразования солнечной энергии, η = W˙ / σTs4, составляет 86,8%, что немного выше, чем предел черного тела (8).

Установки для получения многоцветного предела сбора энергии при положительном освещении ( A ) и отрицательном освещении ( B ) с базовой цветовой схемой, подобной рис. 1. Кроме того, цветные стрелки указывает на радиационный теплообмен на соответствующих частотах, а прямоугольники с цветными контурами представляют поглотители / излучатели, которые являются спектрально избирательными, с единичной поглощающей способностью на указанной частоте и нулем во всех остальных случаях.( C и D ) Зависимость оптимальной промежуточной температуры от частоты для установок в A и B соответственно. В обоих случаях для низких частот оптимальная промежуточная температура сходится к пределам Чамбада-Новикова-Керзона-Альборна TsTa и TaTo соответственно.

Основываясь на соотношении двойственности, установленном в Blackbody Limit , аналогичный многоцветный предел должен существовать и для сбора исходящего теплового излучения.Мы выводим этот предел здесь, используя установку, полученную путем замены элементов переноса излучения и двигателей Карно на фиг. 2 A , как показано на фиг. 2 B . В этой установке цветные излучатели, каждый с единичным коэффициентом излучения на определенной частоте и нулевым коэффициентом излучения в других местах, понижают свою температуру до уровня ниже температуры окружающей среды за счет радиационного охлаждения в космическое пространство. Затем двигатели Карно работают между окружающей средой и каждым таким излучателем для извлечения работы. Опять же, температура каждого излучателя может быть оптимизирована независимо, чтобы максимизировать извлекаемую работу.Оптимальная температура как функция частоты излучателя показана на рис. 2 D , где снова более высокочастотный излучатель имеет более высокую оптимальную температуру. Используя эту температурную зависимость, максимальная мощность, генерируемая установкой на рис. 2 B , составляет W˙ = ∫0∞dω (TaT (ω) −1) ω24π2c2 [Θ (ω, T (ω)) — Θ (ω, To)] = 55 Вт / м2, [2], что является многоцветным пределом сбора исходящего теплового излучения и выше предела черного тела 48,4 Вт / м2, полученного с помощью установки в исх. 24. Этот результат упоминался в ссылке.27, но подробный вывод предоставлен не был.

На рис. 2 C и D мы видим, что в пределе низких частот оптимальная температура для промежуточного поглотителя-эмиттера приближается к TsTa и TaTo для случаев положительного и отрицательного освещения соответственно. Эти результаты напоминают оптимальные температуры конвертера в пределе Чамбадала – Новикова – Керзона – Альборна (31–33). В одном из выводов этого предела рассматривается сценарий, в котором промежуточное тело при температуре Ti рассеивает тепло посредством теплопроводности к радиатору при температуре Tl.Затем работа извлекается двигателем Карно, который работает между промежуточным телом и источником тепла при температуре Th. В этом сценарии максимальная работа достигается при Ti = ThTl. Для случая отрицательного освещения низкочастотный предел точно соответствует описанному выше сценарию, поскольку в этом пределе чистый радиационный тепловой поток между промежуточным телом и внешним пространством пропорционален их разности температур, аналогично теплопроводности, принятой в вывод предела Чамбадала – Новикова – Керзона – Альборна.

Сделаем краткий комментарий к физической реализации многоцветных лимитов. Для преобразования солнечной энергии вместо использования нескольких двигателей Карно, как показано на рис. 2 A , можно рассмотреть конфигурацию многопереходного элемента на рис. 3 A , который состоит из пакета полупроводниковых фотоэлектрических элементов с ячейкой вблизи верх стопки имеет большую ширину запрещенной зоны. Когда стек состоит только из одной ячейки, результатом является хорошо известный предел Шокли – Кайссера (1) для преобразования солнечной энергии с максимальной эффективностью 40.7% при Eg = 1,08 эВ для максимальной концентрации солнечного света, когда ячейка имеет температуру 300 К. Использование большего количества ячеек в стопке приводит к более высокой эффективности преобразования, превышающей предел Шокли – Кейссера, как известно на практике с использованием многопроцессорные солнечные элементы. В этой конфигурации предел многоцветности в 86,8% может быть достигнут с использованием бесконечного количества ячеек (34, 35).

Физические реализации многоцветных пределов с использованием стопок фотоэлектрических элементов с уменьшающейся шириной запрещенной зоны для ( A ) положительного освещения и ( B ) отрицательного освещения.Цветные стрелки указывают потоки фотонов на соответствующих частотах. Ослабление частоты в конкретной ячейке указывает на ее поглощение, в то время как ее продолжение по ячейке указывает на ее передачу. В обоих случаях пакет спроектирован таким образом, что ячейка с наименьшей шириной запрещенной зоны находится ближе всего к поверхности Земли, имеющей температуру окружающей среды.

Точно так же для сбора исходящего излучения можно также использовать ту же конфигурацию многопереходных ячеек, как указано выше, как показано на рис.3 B , с ячейкой в ​​верхней части стопки, имеющей большую запрещенную зону. Когда стек состоит только из одной ячейки, результирующая максимальная мощность составляет 54,8 Вт / м2, как показано в исх. 27, который является пределом Шокли – Кейссера для сбора исходящего теплового излучения от однопереходной ячейки. Предел многоцветности 55 Вт / м2 достигается при использовании бесконечного количества ячеек. В отличие от случая положительного освещения, где наблюдается существенное улучшение более чем в 2 раза при переходе от однопереходной к многопереходной ячейке, в случае отрицательного освещения улучшение использования многопереходной ячейки намного скромнее.

Для преобразования солнечной энергии было заявлено, что многоцветный предел представляет собой наивысшую эффективность, которая может быть достигнута в обратной системе (36). Тот же аргумент должен быть справедливым и для сбора исходящей радиации. Однако можно превысить предел многоцветности с использованием невзаимных систем, как мы обсудим в следующем разделе.

Предел Ландсберга

Для преобразования солнечной энергии конечным пределом является предел Ландсберга (37), который может быть получен из соображений эксергии.Рис. 4 A схематически показывает предел Ландсберга. Мы рассматриваем гипотетический двигатель, работающий с Солнцем в качестве источника тепла и окружающей средой в качестве радиатора, который получает подводимое тепло E˙in, равное чистому потоку излучения между Солнцем и окружающей средой; то есть E˙in = σ (Ts4 − Ta4), сопровождаемый соответствующим чистым потоком энтропии S˙in = (4/3) σ (Ts3 − Ta3). Согласно второму закону, энтропия, отклоняемая двигателем в окружающую среду, S˙out, должна быть не менее S˙in. Чтобы найти верхнюю границу извлечения работы, мы полагаем S˙out = S˙in.В результате минимальное количество отработанного тепла, отводимого двигателем в окружающую среду, составляет E˙out = TaS˙out = TaS˙in. Следовательно, максимальное количество энергии, которое может быть произведено этой установкой, равно W˙max = E˙in − E˙out = E˙in − TaS˙in = σTs4 (1− (4/3) (Ta / Ts) + (1/3) (Ta / Ts) 4), что соответствует эффективности η = W˙max / σTs4 = 93,3% при Ts = 6000 K и Ta = 300 K. Этот результат представляет собой предел Ландсберга, который представляет собой предельный предел эффективности для сбора солнечной энергии. Здесь выражение E˙in-TaS˙in обычно упоминается как эксергия входящего теплового потока, то есть максимальное количество работы, которое может быть извлечено из входящего теплового потока с использованием двигателя при температуре Ta.

для вычисления максимальной мощности, генерируемой в пределе Ландсберга при положительном освещении ( A ) и отрицательном освещении ( B ). Сплошные черные и пунктирные белые стрелки представляют собой потоки чистой энергии и энтропии соответственно. Круглые диски представляют собой гипотетические двигатели, которые могут поглощать от источника тепла и излучать в радиатор указанные потоки тепла и энтропии. Указанные неравенства накладываются вторым законом, который гласит, что полная энтропия в самопроизвольном процессе должна увеличиваться.Для положительного освещения предел Ландсберга достигается установкой минимального потока отклоненной энергии, а для отрицательного освещения — установкой входящего потока энергии на максимальное значение.

Для отрицательного освещения можно получить соответствующий предел выработки энергии, используя схему, изображенную на рис. 4 B . Эта схема аналогична рис. 4 A , за исключением того, что теперь мы анализируем гипотетический двигатель на горячей стороне, а не на холодной. Мы предполагаем, что двигатель имеет исходящий тепловой поток, равный чистому потоку излучения между окружающей средой и холодным космическим пространством; то есть E˙out = σ (Ta4 − To4), сопровождаемый чистым потоком энтропии S˙out = (4/3) σ (Ta3 − To3).Чтобы вычислить максимальную выходную мощность, нас интересует определение максимального теплового потока, который может быть получен двигателем от источника тепла при Ta. Поскольку второй закон требует, чтобы входной ток энтропии S˙in не превышал S˙out, максимальный тепловой поток, который двигатель потребляет от источника тепла, равен E˙in = TaS˙in = TaS˙out. Следовательно, W˙max = E˙in − E˙out = TaS˙out − E˙out = Ta [43σ (Ta3 − To3)] — σ (Ta4 − To4), [3] что равно 153,1 Вт / м2. когда Ta = 300 K и To = 3 K. Это представляет собой конечный предел для сбора продолжающегося теплового излучения.Здесь, подобно эксергии, определенной для входящего теплового потока, можно определить TaS˙out-E˙out как эксергию исходящего теплового потока. Эта эксергия определяет максимальную работу, которую можно извлечь из исходящего теплового потока, используя двигатель, который поддерживается при температуре Ta.

Достижение предела Ландсберга требует использования невзаимных элементов, таких как циркуляторы. Это оптические элементы, которые направляют свет между разными портами невзаимно с почти полным контрастом в передаче между любыми двумя взаимными путями (38, 39), тем самым позволяя повторно использовать отклоненные тепловые излучения одного тела другим.Для демонстрации систем, работающих на пределе Ландсберга, мы предполагаем, что идеализированные широкополосные циркуляторы работают во всем телесном угле 4π. Для случая положительного освещения Райс (ссылка 40; см. Также ссылку 41) предоставил физическую реализацию для достижения предела Ландсберга с использованием установки, показанной на рис. 5 A . В этой установке падающий солнечный свет проходит через циркулятор, который направляет свет на нагрев первого поглотителя черного тела. Двигатель Карно извлекает работу из разницы температур между поглотителем и окружающей средой.Однако излучение от первого поглотителя черного тела не возвращается непосредственно к Солнцу, а скорее перенаправляется циркулятором, чтобы нагреть второй поглотитель черного тела. Работа снова выполняется двигателем Карно, который работает между вторым абсорбером и окружающей средой. Таким образом можно построить многоступенчатую систему, каждая ступень которой состоит из абсорбера черного тела, циркулятора и двигателя Карно. В этой системе последний поглотитель, чья установившаяся температура значительно ниже, чем у первого поглотителя, испускает свое черное тело, излучаемое обратно к Солнцу.В результате потери энергии при переизлучении в этой установке намного меньше по сравнению с установкой для предела черного тела в Blackbody Limit , что соответствует использованию только первой ступени поглотителя установки на рис. 5 A . В пределе бесконечного числа промежуточных ступеней за счет оптимизации температуры каждого поглотителя максимальная извлеченная работа соответствует КПД 93,3%, что совпадает с пределом Ландсберга.

Физические реализации двигателей, приближающихся к пределу Ландсберга при положительном освещении ( A ) и отрицательном освещении ( B ).Большие белые кружки представляют циркуляторы, которые позволяют нарушить взаимность, чтобы обеспечить однонаправленность лучистого теплового потока. В пределах бесконечного числа циркуляторов эти двигатели достигают пределов Ландсберга. ( C и D ) Подход к пределам Ландсберга в зависимости от количества циркуляторов в A и B соответственно. Для отрицательного освещения ( B и D ), с двумя ступенями, то есть с одним циркулятором, полученная мощность уже превышает многоцветный предел в 55 Вт / м2.

Благодаря соотношению двойственности, установленному в Blackbody Limit и Multicolor Limit , можно спроектировать систему, которая достигает теоретического верхнего предела сбора энергии от исходящего теплового излучения. Рассмотрим установку на рис. 5 B , которая получена путем замены элементов переноса излучения и двигателей Карно на рис. 5 A . В этой установке излучатель черного тела радиационно охлаждается до температуры ниже окружающей, а двигатель Карно извлекает работу, работая между окружающей средой и этим черным телом.Тепловой циркулятор направляет свое излучение на соседнюю ступень, чтобы нагреть другой излучатель черного тела, который радиационно охлаждает. Последний излучатель черного тела, следовательно, достигает температуры, промежуточной по сравнению с предыдущим излучателем черного тела и окружающей средой. Подобно случаю на рис. 5 A , этот процесс может повторяться большое количество раз, в результате чего излучатель черного тела значительно горячее, чем излучатель, получающий вход из холодного космического пространства. Поскольку тепловой ток, потребляемый двигателем Карно из окружающей среды, монотонно увеличивается с температурой промежуточного черного тела, этот процесс приводит к большему общему тепловому току, потребляемому из окружающей среды, чем в настройке для предела черного тела на рис.1 B , где используется один промежуточный излучатель черного тела. Теперь мы вычислим мощность, генерируемую этой установкой в ​​пределе бесконечного числа ступеней, в предположении максимальной концентрации для поглощения и излучения в холодное космическое пространство. Рассмотрим одну из стадий, на которой его черное тело поддерживается при температуре T. Это черное тело получает входной тепловой поток от соседнего черного тела с температурой T − dT. Следовательно, мощность, генерируемая на этом этапе соответствующим двигателем Карно, равна dW˙ = σ [T4- (T-dT) 4] ⋅ (TaT-1) = 4σT3dT⋅ (TaT-1).[4] Следовательно, общая генерируемая мощность, полученная путем интегрирования мощности по всем промежуточным температурам, равна W˙ = ∫ToTa4σT3dT⋅ (TaT − 1) = 43σTa (Ta3 − To3) −σ (Ta4 − To4), [5] что совпадает с формулой. 3 и равняется 153,1 Вт / м2 для Ta = 300 K и To = 3 K.

Для сбора солнечной энергии на рис. 5 C мы наносим максимальный КПД при увеличении количества ступеней. При переходе от одноступенчатой ​​к двухступенчатой ​​системе эффективность увеличивается с предела черного тела 85,4% до примерно 90% (8, 42).(Отметим, что N-ступенчатая система требует использования циркуляторов N − 1, поскольку циркулятор на последней ступени не является строго необходимым.) Аналогичным образом, для сбора исходящего излучения на рис. 5 D мы строим график мощности генерируется установкой отрицательного освещения на рис. 5 B в зависимости от количества используемых циркуляторов, со всеми промежуточными температурами, оптимизированными для достижения максимальной общей мощности. Хотя конечный предел может быть достигнут только с бесконечным числом каскадов, значительный выигрыш в плотности мощности может быть достигнут даже при использовании небольшого количества каскадов.Например, использование двух ступеней вместо одной увеличивает мощность с 48,4 Вт / м2 до 72,3 Вт / м2. Таким образом, двухступенчатая система уже имеет мощность выше, чем у Multicolor Limit . Кроме того, при использовании пяти ступеней мощность может превышать 100 Вт / м2. Следовательно, даже при небольшом количестве каскадов и, следовательно, небольшом количестве невзаимных элементов можно значительно увеличить мощность, извлекаемую из исходящего теплового излучения.

Прежде чем мы закончим этот раздел, мы кратко обсудим текущее состояние конструкций электромагнитных циркуляционных насосов, поскольку системы на рис.5 C и D полагаются на широкополосные циркуляционные насосы. В последние годы были предложены конструкции с использованием магнитооптических материалов (38, 43) или динамической модуляции диэлектрического отклика материала (39, 44, 45). В зависимости от конструкции эти циркуляторы обеспечивают полосу пропускания до нескольких сотен гигагерц. Большинство этих циркуляторов было разработано для обработки информации. Для будущих работ будет важно оценить, как их реалистичные рабочие характеристики, особенно коэффициент контрастности, вносимые потери и рабочая полоса пропускания, влияют на эффективность систем преобразования энергии.

Приближение к пределу эффективности Карно в термофотоэлектрической системе

Результаты Blackbody Limit , Multicolor Limit и Landsberg Limit являются основными результатами этой статьи, в которой мы разъясняем теоретические пределы сбора исходящего теплового излучения. . Мы получили эти результаты, установив соотношение двойственности между случаем положительного освещения, когда тепловая машина работает на холодной стороне, и случаем отрицательного освещения, когда тепловая машина работает на горячей стороне.С другой стороны, в термофотовольтаической системе есть доступ как к холодной, так и к горячей стороне. Следовательно, можно рассматривать систему, показанную на рис. 6, где мы размещаем двигатели, описанные на рис. 5 A и B , на холодной и горячей сторонах системы, соответственно. Мы предполагаем, что температуры горячей и холодной сторон равны Th и Tl соответственно. В системе, показанной на рис. 6, T1 = Tl и T∞ = Th. Следовательно, две стороны могут соединяться друг с другом радиационным образом без скачков температуры.

Схема двигателя, работающего на КПД Карно в термофотоэлектрической системе. Установка получена путем объединения конструкций на рис. 5. Температуры промежуточных абсолютно черных тел увеличиваются от T1 = Tl до T∞ = Th.

Двигатели по обе стороны от системы, показанной на рис. 6, могут каждый производить работу, равную эксергии, соответствующей либо входящему, либо исходящему излучению, для лучистого теплового потока, определяемого потоком энергии E˙ = σ (Th5− Tl4) и поток энтропии S˙ = (4/3) σ (Th4 − Tl3).Следовательно, общая работа, которая извлекается из системы, равна W˙ = (ThS˙ − E˙) + (E˙ − TlS˙) = (Th − Tl) S˙. [6] Кроме того, можно показать из рис. 4 B , с соответствующими изменениями температур, теплом, обеспечиваемым горячей стороной двигателя, является ThS˙. Следовательно, КПД системы находится на пределе Карно η = W˙ThS˙ = 1 − TlTh. [7] Система на рис. 6 представляет собой пример теплового двигателя, который работает на пределе КПД Карно, но с максимальной мощностью. выход. В термодинамике принято считать, что конечный тепловой двигатель, работающий на пределе Карно, должен иметь лишь бесконечно малую выходную мощность.Ref. 46 утверждал, что двигатель Карно с ненулевой мощностью в принципе возможен, если нарушить симметрию обращения времени. Впоследствии исх. 47 пояснил, что в широком классе систем, включая системы с нарушенной симметрией обращения времени, конечный двигатель не может генерировать ненулевую мощность на пределе Карно. Наша система определенно нарушает симметрию обращения времени, поскольку в ней используются циркуляторы. Более того, работа в точном соответствии с пределом Карно требует использования бесконечного числа ступеней и, следовательно, теплового двигателя бесконечного размера.Таким образом, наша конструкция не противоречит существующей литературе по вопросу выработки электроэнергии на пределе Карно. С другой стороны, наша конструкция показывает, что, нарушая симметрию обращения времени, можно одновременно достичь как высокой эффективности, так и высокой плотности рабочей мощности.

Резюме

Мы проводим всестороннее исследование различных теоретических ограничений для сбора энергии от исходящего теплового излучения. Результаты этих пределов суммированы в Таблице 1, где мы также сравниваем эти пределы с соответствующими ограничениями для сбора солнечной энергии.Наши результаты показывают, что существует значительный потенциал для сбора исходящего теплового излучения для использования в возобновляемых источниках энергии.

Сравнение пределов положительной и отрицательной освещенности для преобразования энергии

Благодарности

Эта работа была поддержана Министерством энергетики (DOE) «Взаимодействие света и материала в преобразовании энергии» Исследовательский центр Energy Frontier, грант DE-SC0001293 и грантом Министерства энергетики США DE-FG07-ER46426.

Сноски

• Вклад авторов: С.Б., П.С., С.Ф. спланированное исследование; С.Б., П.С., С.Ф. проведенное исследование; С.Ф. контролируемые исследования; и С.Б., П.С. и С.Ф. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

Набор данных о токсичности морских микроводорослей для Irgarol 1051.

Исследования водорослей остаются необходимыми для оценки риска, и их полезность в экотоксикологии заключается в оценке летального и сублетального токсического воздействия потенциальных токсикантов на жителей нескольких экосистем.Влияние различных химических веществ на фотосинтетический аппарат водорослей широко изучено. В настоящей главе обобщены опубликованные данные о токсичности различных органических и неорганических загрязнителей, таких как масла, пестициды, антифоулянты и металлы, на фотосинтез водных первичных продуцентов. Биохимический механизм действия, приводящий к нарушению фотосинтеза, зависит от природы химического вещества и характеристик подвергаемого воздействию микроорганизма. Наблюдаемые различия в реакции и чувствительности разных видов к одному и тому же токсиканту были приписаны нескольким характеристикам водорослей, включая фотосинтетическую способность, тип пигмента, содержание липидов и белков в клетках и размер клеток.Подробно описаны биотесты отдельных видов либо для одного химического вещества, либо для смеси, и изучена толерантность как к морским, так и к пресноводным фитоплактонным видам водной толщи. Имеется адекватная опубликованная информация о многовидовых тестах (сообществах) в лабораторных и полевых исследованиях. Однако оценка риска фотосинтеза перифитона микробентоса неадекватна, хотя особенно важна для гидрофобных органических молекул. Необходимы дальнейшие исследования для оценки неблагоприятного воздействия метаболитов на водные микроводоросли.Фотосинтез — это процесс преобразования энергии, который преобразует энергию света в химическую энергию и осуществляется фототрофными организмами. Фотосинтез включает в себя серию биохимических и биофизических реакций, протекающих одновременно в фотосинтезирующих организмах (растения, водоросли и цианобактерии), которые всегда начинаются с поглощения фотонов и заканчиваются включением неорганического углерода в стабильные органические соединения, называемые углеводами, например сахара. Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы: световые реакции и светонезависимые или темновые реакции.Светозависимые реакции фотосинтеза опосредуются четырьмя большими белковыми комплексами (также называемыми надмолекулярными комплексами), встроенными в тилакоидную мембрану хлоропласта: Фотосистема I (ФСI), Фотосистема II (ФСII), Комплекс цитохрома b6 / f. и аденозинтрифосфат (АТФ) синтаза [4]. Короче говоря, световые реакции включают возбуждение электронов молекул хлорофилла (chl) внутри комплекса ФСII до более высокого энергетического состояния, которое является возбужденным тройным состоянием (* chl³). Эта энергия собирается при образовании нескольких молекул АТФ из АДФ и неорганического фосфора.В комплексе PSI происходит аналогичное возбуждение электронов, энергия собирается для образования восстановленного никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФН) из НАДФ⁺. Процессы переноса электронов, участвующие в светозависимых реакциях фотосинтеза, изображены на рисунке 1, который также известен как Z-схема фотосинтеза.

Нанотехнологии; Великая инновация в науке Обзор исследований и технологий

Остин Дж. Наномед Нанотехнология. 2019; 7 (1): 1051.

* Автор для переписки: M Fazal-ur-Rehman, Департамент химии Педагогического университета, Lahore-Vehari Campus-VEHARI-61100, Пенджаб, Пакистан

Аннотация

Нанотехнологии принесли многочисленные научные разработки в этой области. исследований и экспертизы.Наночастица — это центральная частица, которая работает как единое целое с точки зрения транспорта и имущества. Частицы наноразмеров довольно уникальна по своей природе, потому что наноразмеры увеличивают соотношение поверхности к объему, а также его физические, химические и биологические свойства отличаются от сыпучих материалов. Так основная цель изучения его крошечного размера — вызвать химическую активность с четко выраженными кристаллография, увеличивающая площадь поверхности. Нанотехнологии представляют разработка, производство и применение материалов атомных, молекулярных и макромолекулярные весы, чтобы производить новые наноразмерные материалы.Синтез наночастиц в основном осуществляется несколькими различными химическими веществами, физические и биологические методы. Каждый метод имеет свое значение и Наночастицы, синтезированные определенным методом, используются в определенной области. По характеристике сделан вывод, что наночастицы являются наиболее продвинутыми. материалы для применения практически во всех областях исследований и технологий для повседневной жизни Приложения. Наночастицы теперь ежедневно применяются в медицине для диагностики болезней и их лечение.Они применяются в электронной промышленности, чтобы сделать наночипы и микрочипы. Наряду с этим используются в лечебно-профилактических целях, энергетика и экологическая безопасность, сельское хозяйство, вооруженные силы и др. постановки. Таким образом, в этом обзоре исследуются объем, синтез, характеристика, и применение наночастиц в областях исследований и технологий.

Ключевые слова: Нанотехнологии; Наночастицы; Лазерная абляция; Сольво-термический; Золь-гель; Вычислительные нанотехнологии

Сокращения

НЧ: наночастицы; СЭМ: растровая электронная микроскопия; ТЕМ: Просвечивающая электронная микроскопия; АСМ: атомно-силовая микроскопия; DLS: динамическое рассеяние света

Введение

За последние годы нанотехнологии принесли бесчисленное количество научных разработки в области исследований и экспертизы.Нанотехнологии это изучение и применение второстепенных предметов, которые могут быть применены тщательно во всех научных областях исследований, таких как химия, биология, физика, материаловедение и инженерия. Наночастицы (NPs) — это частица ядра, которая работает как единое целое с точки зрения транспорта и имущества [1]. Как видно из названия, нано означает миллиардная или 10-9 ед. Его размер обычно составляет от 1 до 100 нм. до малых размеров занимает позицию в различных областях нано науки и нанотехнологии. Частицы наночастиц уникальны по своей природе потому что наноразмеры увеличивают соотношение поверхности к объему, а также его физический, химические и биологические свойства отличаются от сыпучих материалов.Таким образом, основная цель изучения его крошечного размера — вызвать химическую активность. с четкой кристаллографией, увеличивающей площадь поверхности [2]. Таким образом в последние годы ведется много исследований металлических наночастиц и его свойства, такие как катализатор, чувствительность к оптике, антибактериальная активность и емкость хранилища данных.

Хотя нанотехнологии часто называют «крошечной наукой», не означает просто очень маленькие конструкции и изделия [3]. Наноразмерные элементы часто используются в объемных материалах и больших поверхностях.Нанотехнологии представляют собой дизайн, производство и применение материалов на атомных, молекулярных и макромолекулярных масштабы, чтобы производить новые наноразмерные материалы [4].

Понятие нанотехнологии возникло 9 ^-го века. Для Впервые в 1959 году Ричард Фейнман выступил с докладом о концепции нанотехнологии и рассказал о молекулярных машинах, построенных с атомная точность, где он обсуждал NPs и назвал это «Внизу много места» [5].Термин «нанотехнологии» впервые использован в качестве научного направления Нарио Танигуши (1974) в его статья была «Нанотехнологии». В основном он состоит из обработки, разделение, консолидация и деформация материалов одним атомом или одна молекула [6].

Нанотехнологии — наука о малом; очень маленький. это использование и манипулирование материей в крошечном масштабе. При таком размере атомы и молекулы работают по-разному и обеспечивают множество удивительных и интересные применения. Нанотехнологии и нанонауки быстро появились в течение последних лет в широком спектре продуктов домены.Предоставляет возможности для разработки материалов. [7]. Нанотехнологии — это научная дисциплина, включающая классические научные области, такие как физика, квантовая механика, химия, биохимия, электроника и др., в разработке материалов, оборудования и функциональные системы с исключительными свойствами, вытекающие из квантовый принцип и способность самоорганизации массы в нанометре Габаритные размеры. В настоящее время существует множество определений нанотехнологии, которые более или менее различаются [8,9].Нанотехнологии включают исследования и технологические разработки на атомном, молекулярном или макромолекулярном уровнях, в размерном масштабе приблизительно от 1 до 100 нм [10].

Нанотехнологии — инновация современной фундаментальной наука. Это очень сложная профессиональная сфера, объединяющая усилия профессионально квалифицированных химиков, физиков, математиков, материаловеды, врачи, компьютерщики и так далее. На современном этапе исследования наночастиц являются интенсивным научным исследования в связи с его широким потенциалом применения в биомедицинских, оптических и электронные поля [11].НП представляют собой узкий мостик между массой материалы и молекулярные (атомные) структуры. Сыпучие материалы имеют постоянные физические свойства [12], поскольку имеют зернистую структуру со случайными зернами, индивидуально ориентированными в пространстве и контактирующими друг друга через границы зерен, но наноматериалы состоят из одиночного зерна со всеми атомами, ориентированными в кристаллической решетке [13].

Основные характеристики наноматериалов, отличающие из объемных материалов они составляют (1) большую долю поверхностных атомов; (2) высокая поверхностная энергия; (3) пространственное ограничение; (4) уменьшено количество недостатков, которых нет в соответствующих сыпучие материалы [14].НП проявляют разные свойства, такие как квантовые удержание, поверхностный плазменный резонанс (SRP), уменьшение плавления температуры, которые напрямую связаны с кристаллической решеткой наноматериалы. Использование наноматериалов обеспечивает следующее: Преимущества, Во-первых, наноматериалы состоят из очень мелких частиц. они способствуют достижению сверхминиатюрности и, таким образом, наноструктуры могут быть упакованы очень близко друг к другу, что может быть полезным для наноэлектроники. Во-вторых, из-за их небольшого размеры, наноматериалы имеют большую удельную поверхность, которая увеличить взаимодействие между ними и окружающей средой в где они расположены.Нанотехнологии не следует рассматривать как единый метод, который влияет только на определенные области [1].

Типы нанотехнологий

Нанотехнологии — это быстрорастущая область науки, это междисциплинарная область науки и техники, увеличить объем инвестиций и регулирования на уровне ячейки между синтетический материал и биологическая система. Нанотехнология продолжается тремя процессами; разделение, уплотнение, деформация материала одним атомом или молекулой.

Делится на три типа; Влажная нанотехнология, которая занимается с биологической системой, такой как ферменты, мембраны, клеточные составные части. Сухая нанотехнология занимается наукой о поверхности, физическая химия и придает большое значение изготовлению структуры в углероде, кремнии, неорганических материалах [15,16]. Вычислительная нанотехнология, которая занимается моделированием и стимулированием сложных структуры в нанометровом масштабе, эти три поля взаимозависимы друг друга [17].

Классификация НП

НЧ можно в общих чертах разделить на две группы: Органические НЧ и Неорганические НЧ [18].Органические наночастицы представляют собой углеродные наночастицы (фуллерены). и неорганические наночастицы — магнитная наночастица, благородная наночастица (золото и серебро), полупроводниковые наночастицы (оксид титана и оксид цинка). Особенно неорганические НЧ привлекли внимание к сам по себе благодаря превосходным свойствам материала с универсальными функциями. Благодаря нано-размерам он легко используется для химической визуализации лекарств. агенты и препарат. Его универсальная функция, используемая для доставки клеток, поскольку они широко доступны, богатая функциональность, хорошая биосовместимость. [19].Это также хороший носитель адресной доставки лекарств и контролируемое высвобождение лекарств. это вполне выгодный материал для медицинской науки. Например, мезопористый кремнезем в сочетании с молекулярные лекарства показывают отличную картину высвобождения лекарств [20]. Синтез наночастиц вызывает озабоченность в нанотехнологиях из-за переменный размер, форма, химический состав и контролируемая дисперсность и их потенциальное использование в медицинской науке для лучшего лечения человеческих благ.

Синтез НЧ

Существует два подхода к синтезу металлических НЧ, которые химический подход и физический подход (рисунок 7) [21].В химической подход включает химическое восстановление, электрохимический метод, и фотохимическое восстановление [22]. Химический процесс снова подразделяется на классический химический метод, в котором некоторые химические восстановители (гидразин, боргидрид натрия, водород) использовал. В то время как радиационно-химический метод генерируется путем ионизации радиация. С физической точки зрения он состоит из трех этапов: конденсация, испарение и лазерная абляция металлических наночастиц синтез [23]. Биологический синтез НЧ, вдохновляющий концепция, также известная как зеленый синтез.Биологический синтез НЧ может устранить экологические опасности, которые обслуживание солнечной энергии, сельскохозяйственное производство, катализ, электроника, оптика и биотехнологии. Зеленый синтез НЧ тотальный эффективный, безусловно доступный, экологичный, неопасный, громоздкий производят и действуют как восстановитель и покрывающий агент в сравнении к химическому методу, который является очень дорогим, а также выделяет опасные побочные продукты, которые могут повредить наши окружающая среда [24].

Биологический синтез использует логически занимающий восстановитель как экстракт растений, микроорганизмы, ферменты, полисахариды, которые распространены и полезны, а также являются альтернативным решением другие сложные и ядовитые химические методы [25].Растения можно определены как нанофабрики, потому что они предлагают перспективный способ биоаккумуляции в пищевую цепочку и окружающую среду. Среди нескольких биотических агентов, растения предлагают ненасильственные и ценные средства для синтеза металлических наночастиц, так как они легко доступны, поэтому есть перспективы для массового производство отдельно от этого пути синтеза является экологическим, и его коэффициент продуктивности выше по сравнению с другими биотическими методами такие как микробы, водоросли и грибы [26]. Из других нескольких литературных исследований, можно указать, что количество накопленных НЧ отличаются восстановительным потенциалом ионов и восстановительной способностью. растения зависит от проявления нескольких полифенолов и далее гетероциклы.

Традиционный синтез НЧ

Традиционно ученые в основном использовали два подхода для НЧ синтеза, такие как подходы снизу вверх и сверху вниз (рис. 5), подробно описанное ниже.

Подход снизу вверх: Подход снизу вверх (рис. 1) наноархитектурный метод самосборки материалов из кластерто- кластер, от молекулы к молекуле или от атома к атому наверху основания субстрат [27].