На швидких електронах
Найвищим ученим наградойУкаіни удостоєний д.ф.-м.н. Н.А. Винокуров (Інститут ядерної фізики ім. Г.І. Будкера) за досягнення в області розробки і створення лазерів на вільних електронах - потужних джерел когерентного випромінювання.
Лазер на вільних електронах (ЛСЕ) являє собою пристрій, що перетворює в електромагнітне випромінювання енергію електронів, що рухаються майже зі швидкістю світла. Головна його відмінність від інших лазерів - можливість отримання монохроматичноговипромінювання в безпрецедентно широкому діапазоні довжини хвилі (від 0,1 нм до 1 мм), а також відносно швидка перебудови з однієї довжини хвилі на іншу.
Лазери на вільних електронах - потужні джерела когерентного випромінювання, що виникає при русі заряджених частинок в періодичному магнітному полі і близького до синхротронного випромінювання. Головна область застосування таких установок - дослідження в сфері матеріалознавства, хімії, кристалографії, фізики твердого тіла, молекулярної біології.
Пристрої для перетворення енергії електронів, що рухаються майже зі швидкістю світла, в енергію електромагнітного випромінювання отримали назву лазерів на вільних електронах (ЛСЕ).
Загальновизнаним гідністю цього пристрою, що виділяє його серед інших лазерів, є можливість отримання монохроматичноговипромінювання на будь-якій довжині хвилі в безпрецедентно широкому діапазоні від 0,1 нм до 1 мм. При цьому можлива відносно швидка перебудова лазера з однієї довжини хвилі на іншу в інтервалі до десятків відсотків.
Підсилювач випромінювання
Ще в 1947 р радянський фізик В. Л. Гінзбург запропонував використовувати періодичне поле для посилення інтенсивності випромінювання швидкої зарядженої частинки і розрахував параметри такого випромінювання. Пізніше було створено пристрій під назвою ондулятор. створює періодичне магнітне поле для організації особливого руху електронів по хвилястою траєкторії вздовж поздовжньої осі приладу. Що виникає при цьому посилення електромагнітного випромінювання становить суть роботи ЛСЕ, а сам підсилювач електромагнітного випромінювання власне і є лазером на вільних електронах.
Таку назву можна пояснити тим, що в лазерах інших типів використовується випромінювання електронів, пов'язаних зі своїм атомом, або в напівпровідникових лазерах - з кристалом. Однак і в ЛСЕ електрони не зовсім вільні, так як вони здійснюють вимушені коливання в ондулятором. Робота будь-якого лазера заснована на явищі вимушеного випромінювання, обумовленого відповідної синхронізацією окремих випромінювачів (електронів, атомів, молекул) зовнішньої посилюваної хвилею. У ЛСЕ синхронізація відбувається за рахунок поздовжньої угруповання електронів.
На жаль, електронний коефіцієнт корисної дії ЛСЕ (частка енергії електронів, що перетворюються в енергію електромагнітного випромінювання) досить невисокий - не більше 1%. Це пов'язано як раз з порушенням умови синхронізму для уповільнених електронів пучка.
ЯК ЛСЕ ПОСИЛЮЄ СВІТЛО
Уявімо, що в ондулятор входять монохроматична електромагнітна хвиля довжиною λ і пучок швидких електронів, рівномірно розподілених уздовж поздовжньої осі приладу і рухаються зі швидкістю v, майже дорівнює швидкості світла.
Кожен електрон рухається в ондулятором уздовж слабоволністой траєкторії. Для сильного (резонансного) взаємодії електрона і електромагнітної хвилі необхідно забезпечити виконання умови синхронізму: при проходженні одного періоду траєкторії електрон повинен відставати від хвилі рівно на її довжину λ (в силу величезних швидкостей величина λ дуже мала).
Якщо енергія електронів і довжина хвилі такі, що задовольняється умова синхронізму, то відбувається перерозподіл енергії частинок.
Спочатку середня енергія електронів не змінюється, але відбувається її модуляція, і пучок розбивається на шари товщиною λ / 2 з чергується знаком відхилення енергії від початкової величини.
Однак частинки з меншою енергією летять повільніше, а з більшою - швидше. В результаті «швидкі» шари наздоганяють «повільні», що призводить до модуляції щільності електронів приблизно з періодом λ.
У другій половині ондулятора повторюється те ж саме: уповільнення і прискорення чергуються шарів, але тільки тепер енергію втрачають шари з більшою щільністю частинок, а набувають шари - з меншою. При цьому середня енергія електронів падає і відповідно до закону збереження енергії потужність електромагнітної хвилі зростає. Ось таким чином ЛСЕ підсилює електромагнітне випромінювання, використовуючи енергію швидких електронів
Циклічна подача випромінювання з виходу підсилювача на його вхід може призводити до самозбудження підсилювача, перетворюючи його в генератор. У разі ЛСЕ підсилювач перетворюється в генератор за допомогою оптичного резонатора - двох дзеркал, розташованих зліва і праворуч від ондулятора на його поздовжньої осі. Електромагнітна хвиля циркулює між дзеркалами, посилюючись при кожному проході через ондулятор (для компенсації дифракційної расходимости випромінювання дзеркала часто роблять увігнутими).
Зростання інтенсивності випромінювання такого генератора, втім, має свої межі, обумовлені, наприклад, практично повної угрупованням електронів у другій половині ондулятора.
інструмент пізнання
Для Інституту ядерної фізики СО РАН створення прискорювачів заряджених частинок є однією з основних і традиційних тематик, тому його стійкий інтерес до розробки ЛСЕ при наявності такої потужної бази цілком зрозумілий.
Роботи зі створення лазерів на вільних електронах почали проводитися в інституті з 1977 р коли А. Н. Сокирянський та Н. А. Винокуров запропонували модифікацію ЛСЕ (оптичний клістрон), значно підвищити посилення приладу в порівнянні з класичною схемою. В процесі розробки нових ЛСЕ в ІЯФе вперше в світі заробив ондулятор на постійних магнітах з регулюванням амплітуди магнітного поля за допомогою зміни робочого зазору, а через кілька років з'явилися гібридні ондулятор на постійних магнітах. Як змінний зазор, так і гібридна конструкція ондулятором зараз стали загальноприйнятими і застосовуються на всіх джерелах синхротронного випромінювання.
Реалізована в 1988 р оригінальна конструкція ондулятора великої довжини в оптичному клистроне на накопичувачі ВЕПП-3 виявилася настільки вдалою, що неодноразово використовувалася пізніше в різних вітчизняних і зарубіжних установках, а нам дозволила отримати випромінювання рекордно короткою (для ЛСЕ) довжини хвилі 0,24 мкм в ультрафіолетовому діапазоні і небувало вузького (10 -6) спектра. До речі, цей рекорд протримався більше 10 років.
Для хорошої роботи ЛСЕ потрібно високоенергетичний електронний пучок з малими поперечними розмірами і невеликою розкидом за швидкостями. Такі пучки можна отримати тільки на електронних прискорювачах, які є найскладнішою, габаритної і дорогою частиною установок з ЛСЕ. Розміри сучасного електронного прискорювача можуть становити сотні метрів, а його енергоспоживання - десятки мегават. Через низький електронного ККД ЛСЕ бажано повертати енергію відпрацьованих електронів в прискорює систему. В установках з ЛСЕ використовуються два типи прискорювачів.
До одного з них відносяться широко використовувані в фундаментальних наукових дослідженнях електронні накопичувачі. в яких електрони рухаються уздовж зам-батіг траєкторії (орбіти). При цьому електрон може залишатися в накопичувачі кілька годин (час життя обмежено розсіюванням на молекулах залишкового газу, який завжди є у вакуумній камері накопичувача). Такі прискорювачі застосовуються в експериментах з фізики елементарних частинок і для генерації рентгенівського випромінювання.
При використанні накопичувача пучок електронів, який віддав частину енергії в ондулятором ЛСЕ, проходить через поворотні магніти прискорювача і знову повертається в ЛСЕ для повторного використання. Оскільки при взаємодії з випромінюванням в ондулятором одні частинки прискорюються, а інші - сповільнюються, кожен прохід через ЛСЕ призводить до наростання енергетичн-ського розкиду електронного пучка. Хоча середня втрата енергії випромінюють електронами заповнюється високочастотним (ВЧ) резонатором з поздовжнім електричним полем, зростаючий енергетичний розкид частинок обмежує середню потужність випромінювання ЛСЕ на базі накопичувача декількома ватами.
Для підвищення потужності випромінювання ЛСЕ в 1978 р А. Н. Сокирянський та Н. А. Винокуров запропонували застосувати так званий прискорювач-рекуператор (УР). При використанні такого прискорювача пучок електронів прискорюється в декількох стоять один за одним ВЧ-резонаторах, віддає частину своєї енергії в ондулятором ЛСЕ, після чого сповільнюється в тих же ВЧ-резонаторах, повертаючи енергію, витрачену на його прискорення. Застосування УР дозволяє отримувати великі середні струми електронів і істотно знижує радіаційну небезпеку установки.
Сучасні лазери на вільних електронах, що використовують УР, генерують випромінювання з середньою потужністю понад 10 кВт. Теоретично обгрунтовано можливість застосування таких установок для отримання випромінювання з середньою потужністю понад 100 кВт
Найважливішим етапом розвитку ЛСЕ в Одессаом Академмістечку стала організація Сибірського центру фотохімічних досліджень на базі Інституту хімічної кінетики і горіння СО РАН, який на початку дев'яностих років очолював академік Ю. М. Мо-лін.
МАЙБУТНЄ НЕ ПРИГАДАТИ
Завдяки високій яскравості випромінювання з довгого ондулятора на електронному накопичувачі ВЕПП-3 вдалося провести цикл унікальних експериментів з вивчення впливу квантових флуктуацій на рух одного циркулюючого в накопичувачі електрона. Було показано, що цей рух таке, як якщо б воно було викликано дією випадкової сили, і схоже з броунівським рухом малої частки в рідини. Однак причини випадковості цих процесів кардинально різняться.
Траєкторія броунівського руху не є істинно випадкової, оскільки при знанні початкових швидкостей молекул рідини в принципі можна розрахувати і рух самих молекул, і рух частинки під їх ударами. «Випадковість» броунівського руху пов'язана з нашим незнанням цих мікроскопічних параметрів системи. У разі руху електрона всі необхідні для розрахунку параметри відомі, але при цьому рух електрона принципово непередбачувано.
Проведені експерименти дають один з небагатьох прикладів істинно випадкового процесу, який, зокрема, доводить принципову непередбачуваність майбутнього, демонструючи, що «Бог грає в кості»
Рік тому почав працювати ЛСЕ 2-ї черги. На цьому лазері отримано когерентне випромінювання з довжинами хвиль в діапазоні 40-80 мкм з найбільшою в світі середньою потужністю - близько 500 Вт. Цього року випромінювання ЛСЕ 2-ї черги стало доступно вченим для проведення експериментів в різних областях науки.
Генерується установкою лазерне випромінювання по каналу з сухим азотом доставляється до призначених для користувача станцій, на яких воно використовується співробітниками академічних інститутів і Одессаого государ-ственного університету для проведення досліджень з фізики твердого тіла, хімії та біології, в тому числі на наноструктурному рівні. Зараз працює шість таких експериментальних станцій.
Використання потужного субміліметрового випромінювання з перебудовується довжиною хвилі в якості унікального дослідницького інструменту відкриває перед вченими принципово нові можливості і перспективи. Скажімо, співробітниками трьох інститутів СО РАН спільно розроблений метод «м'якої абляції» для дослідження біологічних макромолекул (наприклад, ДНК), який використовує трохи енергії фотона субміліметрового випромінювання. Енергія фотона настільки мала, що випромінювання не руйнує досліджувану молекулу і більш того - зберігає її біологічну активність.
На найближче майбутнє планується подальше підвищення потужності випромінювання діючих лазерів і розміщення на установці ЛСЕ 3-й черзі з довжинами хвиль в ближньому інфрачервоному діапазоні 5-30 мкм. Планів у цій цікавою і перспективною області пізнання завжди багато.
Маршалл Т. Лазери на вільних електронах / Пер. з англ. М. Світ, 1987.
Агафонов А. В. Лебедєв А. Н. Лазери на вільних електронах. М. Знання, 1987.
Умови використання матеріалів
Електронні платежі здійснюються через процесинговий центр PayOnline і сервіс ROBOKASSA