Компьютерра PDA N58 (18.09.2010-24.09.2010) - Компьютерра

Группа Джона Мэйди в Америке построила сверхпроводящий ондулятор. Они использовали очень хороший пучок из своего сверхпроводящего высокочастотного ускорителя и продемонстрировали усиление и генерацию электромагнитного излучения на длине волны около трех микрон.

Вот это и считается первым работающим ЛСЭ. В нем было практически все то, что есть в современных ЛСЭ: ондулятор, электронный пучок малого размера, оптический резонатор. Он работал следующим образом. Световой пучок, проходя вместе с электронным, усиливается. В лазере установлены два зеркала, последовательно отражающие свет. После этого свет опять проходил через тот же усилитель (ондулятор с электронным пучком). Так происходило многократное усиление сигнала до тех пор, пока не наступало насыщение.

После работ группы Мэйди многие заинтересовались ЛСЭ и стали делать их на разных ускорителях.

Одной из самых важных частей этой проблемы было создание такого ускорителя, который обеспечивал бы нужный пучок для ЛСЭ. Многие группы занялись решением этой задачи, и мы тоже. В нашем Институте ядерной физики ЛСЭ начали заниматься в 1977 году, были написаны теоретические работы В. Н. Байером и А. И. Мильштейном, а также А.Н. Скринским и мной.

В нашей работе предлагалось усовершенствовать ЛСЭ. Это усовершенствование назвали оптическим клистроном. Мы сделали небольшую модель, которую потом поставили на электронный накопитель ВЭПП-3. Так началась работа с ЛСЭ в нашем институте.

- На каких длинах волн работа ЛСЭ будет оправдана?

- Сейчас ЛСЭ работают в диапазоне длин волн от 1 мм до 1 Å, но стоит отметить следующее: большим недостатком ЛСЭ является использование ускорителей. Потому что они большие и требуют радиационной защиты. Для ускорителя необходимо отдельное помещение с толстыми бетонными стенами. Соответственно, это дорогостоящие установки, поэтому, конечно, на тех длинах волн, где работают другие лазеры, использовать ЛСЭ невыгодно и не следует.

Тогда встает вопрос: какие есть диапазоны, "незакрытые" обычными лазерами? Таких диапазона два. Один, естественно, - рентгеновский. Все давно хотели иметь рентгеновский лазер, и вот они его получили в виде ЛСЭ, который построили в Америке в Стэнфордском центре линейных ускорителей. А второй диапазон - это субмиллиметровый.

Оказалось, что на длинах волн от 1 мм и короче (до 10 микрон) тоже нет перестраиваемых лазеров. Есть лазеры, которые создают излучение с некоторыми выделенными длинами волн, а вот перестраиваемых нет, также как и достаточно мощных. И вот этот субмиллиметровый, или (если по частотам) терагерцовый, диапазон тоже оказался полезным и неосвоенным, то есть тем диапазоном, в котором есть смысл работать ЛСЭ, потому что другие лазеры в таком диапазоне сделать невозможно.

- Какие были этапы создания ЛСЭ в ИЯФ СО РАН?

- Мы делали различные модификации магнитной системы ЛСЭ на накопители ВЭПП-3. В процессе работы было предложено несколько вариантов ондуляторов, и те технические решения, которые мы внедрили, используются сейчас и для рентгеновского излучения. То есть, попутно были еще разработаны разные новые типы ондуляторов, которые потом оказались полезными для генерации рентгеновского излучения (спонтанного излучения на накопителях).

После была большая модернизация накопителя ВЭПП-3, и тогда, уже на модернизированном накопителе, был построен новый ЛСЭ, на котором было получено ультрафиолетовое излучение с рекордно короткой (на тот момент) длиной волны. На этой установке мы поставили несколько экспериментов по работе разных модификаций ЛСЭ, а потом эта программа была исчерпана, так как мы сделали почти все, что хотели.

- Какое еще может быть применение у ондулятора?

- Мы поставили интересный эксперимент по наблюдению движения одного электрона в накопителе. Оказалось, что излучение из нашего ондулятора настолько интенсивно, что можно увидеть даже один-единственный электрон.

Тогда мы запустили в накопитель всего один электрон, измерили его координаты в разные моменты времени и построили график зависимости координаты (продольной) электрона от времени. Оказалось, что электрон движется так, как если бы на него действовала некая случайная сила, то есть его движение напоминало броуновское движение частицы в жидкости. Это неудивительно, так и предсказывалось квазиклассической теорией квантовых флуктуацийсинхротронного излучения.

Эксперименты с единичным микрообъектом (ионом в специальной ловушке) проводились и раньше. Но в нашем случае на электрон не действовали никакие случайные силы, так как электрон двигался в регулярных полях. Поэтому в нашем случае движение электрона было истинно случайным.

В каком смысле случайным? Когда в начале прошлого века изучали поведение частицы в жидкости, видели, что эта частица движется хаотически. Тогда ученые объяснили, что она так дрожит, потому что отдельные молекулы жидкости ударяют ее, причем молекул много, и движение частицы непредсказуемо, так как мы не видим положения этих молекул. Но если бы мы увидели их, то могли бы предсказать их движение и броуновское движение частицы, помещенной в жидкость. То есть такое движение не является истинно случайным.

В отличие от этого движение электрона в накопителе является истинно случайным, потому что там нет никаких микрочастиц, которые его ударяют, и все начальные условия и поля известны. Когда речь идет о квантовой механике, часто приводят высказывание Эйнштейна "Бог не играет в кости", так вот наш эксперимент - это прямая демонстрация того, что "Бог играет в кости", в том смысле что это истинно случайный процесс: движение электрона мы принципиально не можем предсказать. Причем, оно классическое.

Это никак не связано с квантовыми измерениями, это просто случайная кривая. Так что при помощи хорошего длинного ондулятора, который мы сделали, мы смогли поставить эти эксперименты на накопителе.

- Почему для него нужен специальный ускоритель, и каким он должен быть?

- Еще до того, как мы начали делать эксперименты на накопителе ВЭПП-3, были проведены оценки, которые показали, что в электронном накопителе нельзя получить большую мощность излучения.

Это связано с тем, электроны циркулируют по замкнутой орбите. В результате они взаимодействуют со световым пучком в ЛСЭ много раз и поэтому за большое время параметры электронного пучка портятся. То есть пучок раздувается за счет того, что у него растет энергетический разброс. Этот эффект приводит к тому, что на электронном накопителе можно получить мощность не более 100 ватт, а для практических применений нужны киловатты. Следовательно, необходим другой ускоритель.

Кроме того, у ЛСЭ есть одна особенность. Доля мощности электронного пучка, которая преобразуется в излучение, довольно мала. Как правило, это не более 1 %. То есть мы можем преобразовать всего 1% мощности электронного пучка в мощность электромагнитного излучения, а 99 % остаются в электронном пучке.

Естественно, надо пытаться вернуть эту мощность назад в ускоритель. В технике этот прием известен как рекуперация энергии - возврат энергии, которая была куда-то вложена, обратно в ту систему, которая ее вложила. Было предложено использовать для этого ускорители-рекуператоры.

В таких ускорителях электронный пучок ускорятся в высокочастотных резонаторах, затем отдает часть энергии в ЛСЭ, а потом снова посылается в те же высокочастотные резонаторы, но там уже замедляется. При этом он возвращает в резонаторы ту энергию, которая не была использована.

Кроме того, что это экономит энергию, это еще и очень сильно снижает радиационную опасность установки. Почему? Потому что если электроны на высокой энергии сбрасывать на какой-то поглотитель (мишень), из этой мишени будет выходить гамма-излучение.

А если энергия электронов составляет сотню МэВ, и мощность электронного пучка велика, то и мощность гамма-излучения и энергия этих фотонов, или гамма-квантов, будут очень высокими.

В результате могут появляться относительно долгоживущие изотопы, это неприятно, это и есть радиационная опасность. Если же мы замедляем электронный пучок и сбрасываем его в поглотитель с относительно низкой энергией (энергия должна быть меньше 10 МэВ), тогда никаких долгоживущих изотопов не образуется, установка становится радиационно-безопасной после того, как ее выключили. Поэтому для ускорителей электронов с энергией выше и ниже 10 МэВ санитарные нормы и правила разные.

- Как началось создание мощного ЛСЭ Сибирского центра фотохимических исследований?

- Итак, использование ускорителей-рекуператоров для мощных ЛСЭ было очень желательно. В 80х гг мы стали проектировать такой ускоритель, для него понадобились новые технические решения: высокочастотные резонаторы, специальные магниты. И в начале 90х гг мы подготовили проект такого ускорителя. Следующим шагом стал поиск помещения.