Наука и технологии |
Несвободное плавание свободных электронов31.05.07 Изобретения одних ученых ведут к новым открытиям других – в этом заключается феномен междисциплинарности сибирской науки. Так вышло исторически, что до недавнего времени в терагерцовом диапазоне не было практически никаких генераторов излучения. Можно сказать, они были не нужны. Но появился такой источник – и ему сразу же нашлось применение. Химики, биологи, геологи, физики твердого тела – ученые, представляющие самые разные научные направления, начинают уникальные эксперименты на лазере на свободных электронах (ЛСЭ), построенном Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ), и ждут запуска второй очереди лазера. Ждать осталось недолго: возможности лазера значительно возрастут уже в конце этого года.
Проект мощного лазера на свободных электронах ученые института начали разрабатывать в 1985 году. В 2003−м лазер был запущен, став самым мощным в мире источником терагерцового (субмиллиметрового) электромагнитного излучения. До него, в 1988 году, был построен ЛСЭ на накопителе ВЭПП-3, и тоже с мировым рекордом: получено самое коротковолновое излучение. Еще раньше, в 1979−м, был создан оптический клистрон и предложены так называемые гибридные ондуляторы на постоянных магнитах, без которых сегодня ЛСЭ практически нельзя представить. А начались работы по ЛСЭ в ИЯФ с научно-исследовательских изысканий ученых-теоретиков Владимира Байера и Александра Мильштейна и ученых-практиков Александра Скринского (директора ИЯФа) и Николая Винокурова. О том, как работает и где применяется лазер на свободных электронах, рассказывает заведующий лабораторией Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН Николай Винокуров. – Николай Александрович, чем отличается лазер на свободных электронах от других генераторов электромагнитного излучения? – Во-первых, лазер на свободных электронах может создавать излучение с любой, наперед заданной, длиной волны: от 1 миллиметра до 0,1 нанометра. То есть перекрывается семь порядков по длине волны. Другие лазеры работают в узких диапазонах длин волн. Во-вторых, особенностью ЛСЭ является то, что он позволяет получить очень большую среднюю мощность излучения. Наконец, ЛСЭ отличается от других лазеров тем, что преобразует мощность электронного пучка в мощность электромагнитного излучения. То есть относится к электронным приборам, как электронно-лучевая трубка, применявшаяся в старых телевизорах, или радиолампа. – 0,1 нанометра – это уже рентгеновское излучение? – Да, поэтому, когда говорят про рентгеновские лазеры, нужно учитывать, что они уже в некотором смысле существуют – это лазеры на свободных электронах. ЛСЭ с длиной волны несколько нанометров недавно заработал в Германии. А истинно рентгеновские ЛСЭ на 0,1 нанометра сейчас строят в Японии, США и Германии. – Созданный вами лазер на свободных электронах является самым мощным в мире источником терагерцового электромагнитного излучения. Лазер из Джефферсоновской лаборатории тоже считается самым мощным в мире, но уже вне терагерцового диапазона. В чем разница? – Терагерцовое, или субмиллиметровое излучение – это излучение с длиной волны в доли миллиметра. Наша установка работает на длинах волн от 0,11 до 0,24 миллиметра, что соответствует частотам от 1,3 до 2,7 терагерц. Средняя мощность излучения – около 400 ватт, а пиковая – порядка 1 мегаватта. В Джефферсоновском ЛСЭ длины волн в районе нескольких микрон, и из-за этого у наших лазеров совсем разные области применения. – Может ли составить «конкуренцию» новосибирскому лазеру источник Смита-Парселла? – Дело в том, что источников Смита-Парселла (другое название – генератор дифракционного излучения) в субмиллиметровом диапазоне нет. Они существуют только на бумаге. Как физический эффект излучение Смита-Парселла хорошо изучено. Что такое источник Смита-Парселла? Есть электрон, он летит вблизи неровной поверхности, представляющей собой кусок меди с бороздками. Электроны, пролетая вблизи такой поверхности, возбуждают электромагнитные волны. Работы по созданию таких источников сейчас ведутся в основном в миллиметровом диапазоне. Но в источниках Смита-Парселла есть большие проблемы: электронный пучок зацепляется за поверхность и нагревает ее или вовсе расплавляет. – В любом лазере происходит процесс накачки. Как это происходит в ЛСЭ? – Накачка в лазере на свободных электронах несколько отличается от того, что есть в других лазерах. Потому что это лазер на свободных электронах – название здесь говорит само за себя. Обычно лазеры работают, используя переходы между двумя энергетическими уровнями атомов или молекул (или между зонами полупроводников). При этом излучающие электроны связаны, то есть локализованы вблизи своих атомов. Излучатели, например, атомы излучают при переходах с верхнего уровня на нижний и поглощают излучение при обратных переходах. Поэтому в лазерах, которые должны усиливать излучение, изначально почти все излучатели должны находиться на верхнем уровне. В «обычной жизни» типична обратная ситуация: нижние уровни «заселены» сильнее верхних. Поэтому состояние, в котором находится рабочее вещество (излучатели) лазеров, называют инверсной заселенностью, а для ее создания применяют специальные процессы (разные для разных типов лазеров), называемые накачкой.
В электронном пучке, который используется в ЛСЭ, электроны как бы свободны. Но на самом деле они не совсем свободны, потому что свободные электроны не излучают. В ЛСЭ они проходят через специальную магнитную систему, в которой движутся по искривленной траектории. А определенных энергетических уровней, как в других лазерных системах, в ЛСЭ нет. С этим и связано их самое главное преимущество: ЛСЭ могут излучать с любой частотой (на любой длине волны), потому что частота задается, так сказать, руками. Она определяется энергией и параметрами магнитной системы ЛСЭ. Последняя называется ондулятором. Возвращаясь к термину «накачка»: можно сказать, что в ЛСЭ она не требуется. Электронный пучок всегда состоит из частиц с примерно одинаковой энергией, так что на более низких энергиях частиц нет, то есть всегда обеспечена инверсная заселенность. – Ваш ЛСЭ работает на ускорителе-рекуператоре. Что такое рекуперация? – У нас есть электронный пучок, который мы пропускаем через ондулятор, где эти электроны излучают и часть своей энергии передают в энергию электромагнитного излучения. Но оказывается, что в излучение передается не более одного процента от мощности электронного пучка. – А 99 процентов? – Остаются в электроном пучке. И встает такой вопрос: что делать с этим электронным пучком? С одной стороны, если его просто сбрасывать на какую-то мишень, на поглотитель, то получается большой радиационный фон. С другой стороны, жалко той мощности, которая была на него потрачена. И поэтому с самого начала, когда мы только еще планировали более двадцати лет назад создавать мощный ЛСЭ, было решено, что нужно делать рекуперацию. Это означает, что «отработанный» электронный пучок мы берем и замедляем. То есть сначала мы ускоряем частицы, повышая их кинетическую энергию, затем используем электроны в ЛСЭ, а потом эту кинетическую энергию возвращаем обратно в электрическую. – И как вы это делаете? – «Отработанный» электронный пучок мы возвращаем прямо в тот же ускоритель, где он был ускорен. И тогда в этом ускорителе одновременно летят два пучка: один ускоряется, а другой – замедляется. Так что ускоритель почти не отдает энергии. Точнее говоря, он отдает энергию ускоряемому пучку, а получает – от замедляемого. Он отдает энергию, и ему тут же ее возвращают. Замедленный электронный пучок, который потерял почти всю энергию, мы сбрасываем на небольшой поглотитель. Сколько-то мощности мы, конечно, все равно теряем. Но большую часть мощности электронного пучка мы возвращаем назад в ускоритель, и тем самым экономим электроэнергию. Даже не совсем правильно говорить «электроэнергию». Дело в том, что возможности этого ускорителя ограничены, и если бы мы не делали рекуперацию, то никогда не смогли бы получить на выходе электронный пучок с такой мощностью. Просто не хватило бы мощности нашего ускорителя! Но когда мы возвращаем «отработанный» пучок в тот же ускоритель, и он возмещает почти всю затраченную мощность, тогда мы получаем в электронном пучке мощность гораздо большую. Мощность, которая у нас есть в электронном пучке, гораздо больше, чем подводимая к ускорителю. Такую мощность, которая циркулирует в системе, не выходя наружу, называют реактивной. Таким образом, рекуперация нужна, во-первых, для получения большого тока, во-вторых, она фактически сводит на нет радиационную опасность установки. Та мощность, которая была бы вредна, становится полезна. Ускоритель-рекуператор является самостоятельным техническим достижением. Сейчас в мире есть только три подобных ускорителя: один – в Соединенных Штатах, другой – в Японии, третий – у нас. – Они создавались параллельно? – Да. Они довольно сильно отличаются друг от друга, но принцип действия один. Вообще, рекуперация энергии в технике – известный принцип. Самый доступный для понимания пример – использование рекуперации энергии на железной дороге: когда электровоз идет под горку, он отдает энергию обратно в сеть, которая его питает. – Почему в ЛСЭ используются медные зеркала с золотым покрытием, а не многослойные диэлектрические зеркала? – На этой установке мы никогда не применяли диэлектрические зеркала и не планируем. Во второй очереди, возможно, будем использовать. Многослойные покрытия, конечно, лучше тем, что у них коэффициент отражения выше, то есть они отражают почти весь свет. Но их минус – они плохо охлаждаются и не выдерживают излучения большой мощности. – Ваш лазер дает излучение в диапазоне длин волн 110–240 микрон. Диапазон можно расширить? – Да, и вторая очередь ЛСЭ отчасти делается для того, чтобы расширить существующий диапазон и перекрыть весь диапазон инфракрасного излучения. То есть сделать так, чтобы можно было давать пользователям излучение с любой длиной волны: от тех же 240 до 5 микрон. Для разных целей людям нужно разное излучение, с разными длинами волн, и поэтому для создателей источников интересно получить излучение на всех длинах волн. Сейчас наша установка работает в диапазоне от 110 до 240 микрон, и мы имеем много пользователей в этом диапазоне. Но, как говорится, людям всегда чего-то не хватает, они хотят работать на другой длине волны, потом еще дальше и еще. Поэтому мы и расширяем диапазон. Чем он шире, тем больше задач можно решать. – Кто является пользователями вашего лазера? – На нашей установке работают ученые из Института цитологии и генетики, Института физики полупроводников, Института неорганической химии и, конечно, наши «хозяева» – сотрудники Института химической кинетики и горения, на территории которого находится установка. Собираются проводить эксперименты Институт гидродинамики и Институт теоретической и прикладной механики. У всех исследования находятся в разных стадиях. Кто-то уже работает, а кто-то еще просто приносит свои образцы и смотрит, как через них проходит терагерцовое излучение. Многие еще только собираются работать на ЛСЭ. – Простейшее применение терагерцового излучения? – Просвечивание непрозрачных объектов. Мы делали такой демонстрационный эксперимент. Взяли бумажный конверт, положили в него ключи, поставили под излучение и посмотрели на просвет. Излучение через конверт проходит, а через металлические ключи – нет. То есть мы увидели, что в конверте лежат ключи. В перспективе это излучение можно использовать вместо рентгена, например, в системах безопасности. Но пока это применение у нас не сильно развито, потому что мы не можем просвечивать толстые объекты – поглощение-то сильное. Человека, допустим, мы насквозь просветить не можем. Сотрудники Института неорганической химии планируют изучать расщепление молекул терагерцовым излучением. Это не только фундаментальная работа, есть в ней и прикладной интерес. Если они научатся это делать, то смогут отрабатывать новые технологии напыления разных веществ на различные поверхности, расщепляя молекулы вблизи этой поверхности. – Возможно ли использование лазера для исследования сложных молекулярных систем? – В лаборатории лазерной фотохимии Института химической кинетики и горения уже много лет изучают, как идут химические реакции под действием света. Сначала использовали лазер на двуокиси углерода – СО2−лазер, но для этого приходилось специально синтезировать молекулы, так, чтобы использовать именно этот лазер, с длиной волны около 10 микрон. Потом, около 15 лет назад, руководители Института химической кинетики и горения пришли к нам и объяснили, как важно сделать источник инфракрасного излучения, позволяющий работать с любыми молекулами, то есть источник с большой мощностью излучения на любой длине волны, а не на какой-то избранной. Это, собственно, и было началом нашей работы над ЛСЭ Сибирского центра фотохимических исследований. И скоро мы достигнем поставленных тогда целей, начнем заниматься лазерной фотохимией. В частности, интересным применением нашего ЛСЭ может быть разделение стабильных изотопов азота, кремния, углерода и других элементов. Для отработки любой технологии нужна большая мощность, потому что производительность процесса прямо пропорциональна мощности. На каждую молекулу нужно затратить один фотон излучения. Значит, чтобы иметь какую-то производительность – не миллиграммы в час, а килограммы в секунду, этих фотонов должно быть много. Для этого нужна большая мощность излучения, поэтому мы и продолжаем совершенствовать источник. – Большая мощность нужна ведь не только для таких технологических применений? – Конечно, и для научных применений тоже. Сейчас сотрудники Института химической кинетики и горения, Института цитологии и генетики и Института ядерной физики разрабатывают так называемый метод мягкой абляции. В чем он состоит? Есть поверхность, на которой находятся какие-то большие молекулы, например, ДНК. Под действием излучения эти большие молекулы (или другие наночастицы) слетают с поверхности. Дальше, в виде аэрозоля, их можно исследовать. Главное здесь – снять их с поверхности. Оказалось, что для этого подходит фактически только наше излучение с малой энергией фотонов. Оно длинноволновое и не разрушает эти очень хрупкие молекулы. Более того, биологические молекулы сохраняют биологическую активность! Не только не разрушаются, но еще и сохраняют свою форму. Если то же самое делать видимым или инфракрасным излучением, то молекулы разрушаются. Еще один интересный пример. Нашим терагерцовым излучением стали облучать минералы: известняк, мрамор, гранит. Оказалось – те частички, которые летят с поверхности минералов, имеют вполне определенные размеры, что было некоторой неожиданностью для геологов. И они стали заниматься исследованием минералов на ЛСЭ. – А применение в сфере оптики атмосферы? – Оптика атмосферы – это просвечивание атмосферы. Цели могут быть разными: например, узнать, какие там есть примеси. Сейчас то излучение, которое есть в терагерцовом диапазоне, нельзя применять для оптики атмосферы, потому что оно сильно поглощается в атмосфере. Типичная длина поглощения – полметра. То есть каждые полметра мощность излучения в три раза ослабляется. Просвечивать какие-то длинные оптические трассы им нельзя. Но вот излучение второй очереди будет более коротковолновым, и с его помощью можно будет измерять прохождение и рассеяние излучения на длинных трассах в атмосфере. – Лазер на свободных электронах – востребованный продукт? Может продаваться? – Все может продаваться. Более того, мы даже один продали, в Корейский институт атомной энергии, около 10 лет назад. Это была компактная установка, занимающая небольшую комнату, примерно 10 на10 метров. Она работает в том же диапазоне волн, что и наш ЛСЭ, но только там мощность в 10 000 раз меньше, но этого вполне хватает для некоторых экспериментов. Наш лазер в Корее до сих пор работает. Мы можем делать ЛСЭ на продажу – другое дело, что спроса пока нет. – Каковы перспективы развития сибирских лазеров на свободных электронах? – Мы делаем и, без сомнения, завершим вторую очередь ЛСЭ. Будет очень много работы: получить излучение, изготовить каналы для вывода этого излучения, сделать разводку излучения на пользовательские станции, в конце концов, сами станции. Потом начнется работа непосредственно с пользователями. Кроме этого у нас есть некоторый задел в смысле новых проектов, которые пока не финансированы, но мы их потихоньку теоретически разрабатываем и пытаемся найти финансирование. Будут деньги – будем делать другие ЛСЭ, где заложены новые идеи. – Какую-нибудь новую идею можете озвучить? – Секретов нет, все опубликовано. Не так давно мы предложили ЛСЭ с кольцевой магнитной системой. Если удастся реализовать этот проект, то мы сможем получать мощное излучение с разными длинами волн, в частности, в рентгеновском диапазоне. Причем в отличие от тех ЛСЭ, которые сейчас делают за границей, это излучение будет иметь гораздо более качественные параметры: оно будет более стабильным и более монохроматичным (узкополосным). Галина Казарина Источник: «Эксперт Сибирь» |
