На быстрых электронах

Лазеры на свободных электронах – мощные источники когерентного излучения, возникающего при движении заряженных частиц в периодическом магнитном поле и близкого к синхротронному излучению. Главная область применения таких установок – исследования в сфере материаловедения, химии, кристаллографии, физики твердого тела, молекулярной биологии.

Устройства для преобразования энергии электронов, движущихся почти со скоростью света, в энергию электромагнитного излучения получили название лазеров на свободных электронах (ЛСЭ).

Общепризнанным достоинством этого устройства, выделяющего его среди других лазеров, является возможность получения монохроматического излучения на любой длине волны в беспрецедентно широком диапазоне от 0,1 нм до 1 мм. При этом возможна относительно быстрая перестройка лазера с одной длины волны на другую в интервале до десятков процентов.

Усилитель излучения

Процесс излучения электрическим зарядом электромагнитной волны можно представить как отрыв части его электрического поля. Это означает, что в пустом пространстве излучают лишь заряды, движущиеся с ускорением, в то время как электрон движется по прямой линии с постоянной скоростью. Чтобы он начал излучать, надо заставить его двигаться волнообразно. Обеспечить такое движение можно, например, с помощью статического электрического или магнитного полей.

Еще в 1947 г. советский физик В. Л. Гинзбург предложил использовать периодическое поле для усиления интенсивности излучения быстрой заряженной частицы и рассчитал параметры такого излучения. Позже было создано устройство под названием ондулятор, создающее периодическое магнитное поле для организации особого движения электронов по волнистой траектории вдоль продольной оси прибора. Возникающее при этом усиление электромагнитного излучения составляет суть работы ЛСЭ, а сам усилитель электромагнитного излучения собственно и является лазером на свободных электронах.

Такое название можно объяснить тем, что в лазерах других типов используется излучение электронов, связанных со своим атомом, или в полупроводниковых лазерах – с кристаллом. Однако и в ЛСЭ электроны не совсем свободны, так как они совершают вынужденные колебания в ондуляторе. Работа любого лазера основана на явлении вынужденного излучения, обусловленного соответствующей синхронизацией отдельных излучателей (электронов, атомов, молекул) внешней усиливаемой волной. В ЛСЭ синхронизация происходит за счет продольной группировки электронов.

К сожалению, электронный коэффициент полезного действия ЛСЭ (доля энергии электронов, преобразуемая в энергию электромагнитного излучения) весьма невысок – не более 1 %. Это связано как раз с нарушением условия синхронизма для замедленных электронов пучка.

КАК ЛСЭ УСИЛИВАЕТ СВЕТ Представим, что в ондулятор входят монохроматическая электромагнитная волна длиной λ и пучок быстрых электронов, равномерно распределенных вдоль продольной оси прибора и движущихся со скоростью v, почти равной скорости света.
Каждый электрон движется в ондуляторе вдоль слабоволнистой траектории. Для сильного (резонансного) взаимодействия электрона и электромагнитной волны необходимо обеспечить выполнение условия синхронизма: при прохождении одного периода траектории электрон должен отставать от волны ровно на ее длину λ (в силу огромных скоростей величина λ очень мала).
Если энергия электронов и длина волны таковы, что удовлетворяется условие синхронизма, то происходит перераспределение энергии частиц.
Сначала средняя энергия электронов не меняется, но происходит ее модуляция, и пучок разбивается на слои толщиной λ/2 с чередующимся знаком отклонения энергии от начальной величины.
Однако частицы с меньшей энергией летят медленнее, а с большей – быстрее. В результате «быстрые» слои догоняют «медленные», что приводит к модуляции плотности электронов примерно с периодом λ.
Во второй половине ондулятора повторяется то же самое: замедление и ускорение чередующихся слоев, но только теперь энергию теряют слои с большей плотностью частиц, а приобретают слои – с меньшей. При этом средняя энергия электронов падает и в соответствии с законом сохранения энергии мощность электромагнитной волны растет. Вот таким образом ЛСЭ усиливает электромагнитное излучение, используя энергию быстрых электронов

Циклическая подача излучения с выхода усилителя на его вход может приводить к самовозбуждению усилителя, превращая его в генератор. В случае ЛСЭ усилитель преобразуется в генератор с помощью оптического резонатора – двух зеркал, расположенных слева и справа от ондулятора на его продольной оси. Электромагнитная волна циркулирует между зеркалами, усиливаясь при каждом проходе через ондулятор (для компенсации дифракционной расходимости излучения зеркала часто делают вогнутыми).

Рост интенсивности излучения такого генератора, впрочем, имеет свои пределы, обусловленные, например, практически полной группировкой электронов во второй половине ондулятора.

Инструмент познания

Для Института ядерной физики СО РАН создание ускорителей заряженных частиц является одной из основных и традиционных тематик, поэтому его устойчивый интерес к разработке ЛСЭ при наличии такой мощной базы вполне понятен.

Работы по созданию лазеров на свободных электронах начали проводиться в институте с 1977 г., когда А. Н. Скринский и Н. А. Винокуров предложили модификацию ЛСЭ (оптический клистрон), значительно повысившую усиление прибора по сравнению с классической схемой. В процессе разработки новых ЛСЭ в ИЯФе впервые в мире заработал ондулятор на постоянных магнитах с регулировкой амплитуды магнитного поля при помощи изменения рабочего зазора, а спустя несколько лет появились гибридные ондуляторы на постоянных магнитах. Как переменный зазор, так и гибридная конструкция ондуляторов сейчас стали общепринятыми и применяются на всех источниках синхротронного излучения.

Реализованная в 1988 г. оригинальная конструкция ондулятора большой длины в оптическом клистроне на накопителе ВЭПП-3 оказалась настолько удачной, что неоднократно использовалась позже в различных отечественных и зарубежных установках, а нам позволила получить излучение рекордно короткой (для ЛСЭ) длины волны 0,24 мкм в ультрафиолетовом диапазоне и небывало узкого (10^-6) спектра. Кстати, этот рекорд продержался более 10 лет.

ПОГОНЩИКИ ЭЛЕКТРОНОВ Для хорошей работы ЛСЭ требуется высокоэнергетический электронный пучок с малыми поперечными размерами и небольшим разбросом по скоростям. Такие пучки можно получить только на электронных ускорителях, являющихся самой сложной, габаритной и дорогостоящей частью установок с ЛСЭ. Размеры современного электронного ускорителя могут составлять сотни метров, а его энергопотребление – десятки мегаватт. Из-за низкого электронного КПД ЛСЭ желательно возвращать энергию отработанных электронов в ускоряющую систему. В установках с ЛСЭ используются два типа ускорителей.
К одному из них относятся широко используемые в фундаментальных научных исследованиях электронные накопители, в которых электроны движутся вдоль зам­кнутой траектории (орбиты). При этом электрон может оставаться в накопителе несколько часов (время жизни ограничено рассеянием на молекулах остаточного газа, который всегда есть в вакуумной камере накопителя). Такие ускорители применяются в экспериментах по физике элементарных частиц и для генерации рентгеновского излучения.
При использовании накопителя пучок электронов, отдавший часть энергии в ондуляторе ЛСЭ, проходит через поворотные магниты ускорителя и снова возвращается в ЛСЭ для повторного использования. Поскольку при взаимодействии с излучением в ондуляторе одни частицы ускоряются, а другие – замедляются, каждый проход через ЛСЭ приводит к нарастанию энергетиче­ского разброса электронного пучка. Хотя средняя потеря энергии излучающими электронами восполняется высокочастотным (ВЧ) резонатором с продольным электрическим полем, растущий энергетический разброс частиц ограничивает среднюю мощность излучения ЛСЭ на базе накопителя несколькими ваттами.
Для повышения мощности излучения ЛСЭ в 1978 г. А. Н. Скринский и Н. А. Винокуров предложили применить так называемый ускоритель-рекуператор (УР). При использовании такого ускорителя пучок электронов ускоряется в нескольких стоящих друг за другом ВЧ-резонаторах, отдает часть своей энергии в ондуляторе ЛСЭ, после чего замедляется в тех же ВЧ-резонаторах, возвращая энергию, затраченную на его ускорение. Применение УР позволяет получать большие средние токи электронов и существенно снижает радиационную опасность установки.
Современные лазеры на свободных электронах, использующие УР, генерируют излучение со средней мощностью более 10 кВт. Теоретически обоснована возможность применения таких установок для получения излучения со средней мощностью более 100 кВт

Важнейшим этапом развития ЛСЭ в новосибирском Академгородке стала организация Сибирского центра фотохимических исследований на базе Института химической кинетики и горения СО РАН, который в начале девяностых годов возглавлял академик Ю. Н. Мо­лин.

В институте к тому времени давно работала лаборатория лазерной фотохимии под руководством А. К. Петрова, сотрудники которой активно поддержали идею коллективного использования учеными различных специальностей излучения мощной лазерной установки на быстрых электронах, способной легко варьировать его параметры в широких пределах. Несмотря на известные трудности переходного десятилетия и благодаря энтузиазму участников проекта, ЛСЭ 1-й очереди с длинами волн в диапазоне 120—240 мкм был запущен в 2003 г. Отмечу, что его средняя мощность 500 Вт является мировым рекордом для источников излучения в терагерцовом диапазоне частот.

БУДУЩЕЕ НЕ ВСПОМНИТЬ Благодаря высокой яркости излучения из длинного ондулятора на электронном накопителе ВЭПП-3 удалось провести цикл уникальных экспериментов по изучению влияния квантовых флуктуаций на движение одного циркулирующего в накопителе электрона. Было показано, что это движение таково, как если бы оно было вызвано действием случайной силы, и схоже с броуновским движением малой частицы в жидкости. Однако причины случайности этих процессов кардинально различаются.
Траектория броуновского движения не является истинно случайной, поскольку при знании начальных скоростей молекул жидкости в принципе можно рассчитать и движение самих молекул, и движение частицы под их ударами. «Случайность» броуновского движения связана с нашим незнанием этих микроскопических параметров системы. В случае движения электрона все необходимые для расчета параметры известны, но при этом движение электрона принципиально непредсказуемо.
Проведенные эксперименты дают один из немногих примеров истинно случайного процесса, который, в частности, доказывает принципиальную непредсказуемость будущего, демонстрируя, что «Бог играет в кости»

Год назад начал работать ЛСЭ 2-й очереди. На этом лазере получено когерентное излучение с длинами волн в диапазоне 40—80 мкм с наибольшей в мире средней мощностью – около 500 Вт. В этом году излучение ЛСЭ 2-й очереди стало доступно ученым для проведения экспериментов в различных областях науки.

Генерируемое установкой лазерное излучение по каналу с сухим азотом доставляется к пользовательским станциям, на которых оно используется сотрудниками академических институтов и Новосибирского государ­ственного университета для проведения исследований по физике твердого тела, химии и биологии, в том числе на наноструктурном уровне. Сейчас работает шесть таких экспериментальных станций.

Использование мощного субмиллиметрового излучения с перестраиваемой длиной волны в качестве уникального исследовательского инструмента открывает перед учеными принципиально новые возможности и перспективы. Скажем, сотрудниками трех институтов СО РАН совместно разработан метод «мягкой абляции» для исследования биологических макромолекул (например, ДНК), использующий малость энергии фотона субмиллиметрового излучения. Энергия фотона настолько мала, что излучение не разрушает исследуемую молекулу и более того – сохраняет ее биологическую активность.

На ближайшее будущее планируется дальнейшее повышение мощности излучения действующих лазеров и размещение на установке ЛСЭ 3-й очереди с длинами волн в ближнем инфракрасном диапазоне 5—30 мкм. Планов в этой интересной и перспективной области познания всегда много.

Литература

Маршалл Т. Лазеры на свободных электронах / Пер. с англ. М.: Мир, 1987.

Агафонов А. В., Лебедев А. Н. Лазеры на свободных электронах. М.: Знание, 1987.

Кулипанов Г. Н. Изобретение В. Л. Гинзбургом ондуляторов и их роль в современных источниках синхротронного излучения и лазерах на свободных электронах // Успехи физических наук. 2007. 177, С. 384

Brau C. Free-Electron Lasers. Boston: Academic Press, Inc., 1990.