Профессор Николай Винокуров о лазере на свободных электронах

Автор: Алла Аршинова

Опубликовано 22 сентября 2010 года

Хотя разновидностей лазеров очень много, до недавнего времени не существовало мощного регулируемого лазера, который работал бы в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Теперь такая установка есть - это новосибирский лазер на свободных электронах (ЛСЭ). Его технические возможности столь непривычны ученым, что не все и не сразу понимают, как с ним работать. Еще бы, ведь это - самый мощный в мире генератор когерентного субмиллиметрового излучения.

О том, почему российский ЛСЭ действительно лучший, рассказывает один из его создателей - заведующий лабораторией Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственной премии Российской Федерации за 2009 год в области науки и техники "За достижения в области разработки и создания лазеров на свободных электронах" и обладатель множества наград Николай Винокуров

- Николай Александрович, чем отличается ЛСЭ от обычных лазеров? Что для них является рабочим телом?

- Типов лазеров много. Все они используют явление вынужденного излучения. Есть спонтанное излучение: в старинном гелий-неоновом лазере был газовый разряд, и атомы светились. Если посмотреть сбоку на трубку, то было видно, что она светится красноватым светом.

Вынужденное излучение - это когерентная часть излучения, которая появляется в результате синхронизации (фазировки) излучателей. Это явление приводит к усилению волны в излучающей среде и к появлению когерентного излучения между зеркалами лазера. Так вот, ЛСЭ - это те лазеры, которые используют эффект вынужденного ондуляторного излучения, то есть такого, которое излучает электрон, когда проходит через специальную периодическую магнитную систему - ондулятор.

А почему он излучает? Потому что когда электрон движется по непрямолинейной траектории в ондуляторе, он ускорен, а всякий заряд, движущийся с ускорением, излучает. ЛСЭ - это ондулятор и электронный пучок, из которых можно делать разные комбинации.

ЛСЭ отличаются от других лазеров двумя особенностями. Во-первых, они могут обеспечивать любую, наперед заданную, длину волны от 1 миллиметра до 1A, в отличие от остальных лазеров, которые могут, как правило, генерировать излучения в довольно узком диапазоне длин волн. Здесь же мы видим, что этот диапазон длин волн от 1 мм до 1 A составляет 7 порядков. Кроме того, можно относительно быстро перестраивать длину волны излучения на десятки процентов.

Еще одно отличие заключается в том, что средняя мощность ЛСЭ может быть довольно высокой. Американцы продемонстрировали мощность 14 киловатт, и это, конечно, рекорд для ЛСЭ, хотя лазеры других типов могут быть более мощными. Но электронный пучок, который ЛСЭ использует как рабочее тело, может быть гораздо более мощным.

Поскольку сильных ограничений на мощность нет, есть проекты ЛСЭ на мощности в сотни киловатт. Они могут быть интересны для технологических применений, потому что для производства нужна большая мощность, так как от этого зависит производительность. Более того, существуют и другие проекты, например, подсветка (энергоснабжение) спутников.

- А какие есть ограничения на мощность у обычных лазеров?

- У многих лазеров ограничение мощности определяется тем, что после того, как рабочая среда отдает часть энергии, ее нужно заменить на другую. Например, ее можно прокачивать через рабочий объем лазера.

В ЛСЭ скорость прокачки - это скорость света, а значит, она самая высокая, какая может быть. Поэтому и мощность ЛСЭ потенциально - самая большая.

Кроме того, рабочим телом ЛСЭ является электронный пучок, который летит в магнитном поле, и так как в некотором смысле это вакуум, то ток пучка может быть довольно большим. В других лазерах, как правило, есть среда, в среде обычно бывают паразитные потери, которые ее греют, это и ограничивает среднюю мощность таких лазеров.

В рабочей среде ЛСЭ нет лишних примесей, есть только электроны, которые излучают. То есть электронный пучок, который выполняет в ЛСЭ роль среды, идеально для этого подходит.

Еще нужно отметить, что в электронных пучках средняя мощность (произведение энергии электрона на ток пучка), может быть очень большой, и нужно просто суметь отобрать часть этой мощности. Например, в электронных накопителях энергия электрона - несколько ГэВ, и ток может быть 1 ампер, и получаем один гигаватт средней мощности. Если от них отобрать хотя бы одну тысячную, то уже будет довольно большая мощность (в нашем примере - один мегаватт).

На самом деле электронные накопители для мощных ЛСЭ не подходят, но наш пример демонстрирует, что в электронных пучках может быть большая средняя мощность. Итак, для мощных ЛСЭ нужен мощный электронный пучок. Чтобы его получить, надо построить специальный ускоритель, так называемый ускоритель-рекуператор. Этим мы и занимаемся.

- Где, когда и кем были построены первые ЛСЭ?

- ЛСЭ являются ближайшими родственниками вакуумных электронных сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов магнетронов, клистронов и, особенно, ламп бегущей волны. В них тоже используется электронный пучок, и тоже часть его мощности переводится в мощность электромагнитных волн, только длины волн другие. Поэтому к ЛСЭ люди подходили с разных сторон. Одна из сторон: это просто совершенствование вакуумных электронных СВЧ приборов.

Одним из первых шагов в создании ЛСЭ можно считать статью П. Л. Капицы и П. А. М. Дирака (1933), где был описан так называемый эффект Капицы-Дирака, то есть вынужденное комптоновское рассеяние, происходящее вследствие группировки электронов в поле стоячей электромагнитной волны. В некотором смысле этот эффект лежит в основе устройства ЛСЭ, но работа П. Л. Капицы и П. А. М. Дирака была надолго забыта, потому что тогда этому не нашлось практического применения.

Затем В.Л. Гинзбургом в 1947 году были предложены ондуляторы. Это такие устройства, в которых электроны летят по периодически искривленной траектории (она напоминает синусоиду). В ондуляторах электроны излучают довольно интенсивно.

Изначально они были предложены для того, например, чтобы детектировать космические лучи. В. Л. Гинзбург рассчитал параметры этого излучения - его спектральные свойства и угловую направленность.

После этого в 50-е гг, в Америке Ганс Моц построил такую магнитную систему, и называл ее "ондулятор". Он поставил ее на электронный пучок линейного ускорителя, измерил параметры излучения и показал, что, действительно, электроны в такой системе могут интенсивно излучать. Потом ондуляторы были использованы и для генерации рентгеновского излучения в современных накопителях, то есть не на ЛСЭ, а просто как источники спонтанного рентгеновского излучения. Они были использованы и в ЛСЭ.

В 1960 г в Америке Р. Н. Филлипс построил СВЧ прибор, генератор сверхвысокочастотных волн, который назывался убитроном. В нем электроны проходили через ондулятор (то есть все было как в ЛСЭ), но только электронный пучок имел довольно низкую энергию. В результате длина волны была сантиметровой, а не миллиметровой, или субмиллиметровой, как в современных ЛСЭ. Это еще один этап в создании ЛСЭ в их современном понимании.

Дальше проблема была в том, чтобы создать достаточно хороший электронный пучок с малыми размерами, с малыми угловыми разбросами для того, чтобы генерировать не сантиметровое излучение, а более коротковолновое. И этот шаг был сделан позже, в 1976 году.

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 A, 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.

Мы связались с руководством Института химической кинетики и горения СО РАН, а там уже много лет работала лаборатория лазерной фотохимии, руководителем которой был профессор Александр Константинович Петров.

Они изучали изменения химических процессов под действием лазерного излучения. Лазерный свет может действовать как катализатор, реакции происходят совсем по-другому. Кроме того, можно заниматься разделением изотопов, то есть выделять нужные изотопы из смеси. Этим и занималась лаборатория лазерной фотохимии Института химической кинетики и горения.

Поэтому к нам пришли академик Юрий Николаевич Молин, который был тогда директором института, и А. К. Петров. Со стороны ИЯФ в этих обсуждениях участвовали наш директор академик Александр Николаевич Скринский, заведующий нашей лабораторией Геннадий Николаевич Кулипанов, Александр Данилович Орешков и я.

В ходе этого разговора мы выяснили, что если бы у них был мощный лазер с перестраиваемой длиной волны, то они смогли бы существенно расширить свои исследования. Потому что до этого они пользовались несколькими лазерами, самым хорошим из которых был лазер на окиси углерода. Он имеет длину волны 10,6 мкм. Для того чтобы с ним работать, химики специально синтезировали молекулы, у которых переходы лежали именно в этой области.

Кроме того, от других программ у них остался специальный корпус, помещение, где можно было расположить ускоритель. Мы договорились, что ИЯФ в этом помещении построит установку, которая потом будет использоваться ими и другим институтами и научными учреждениями.

В 90х гг. началось строительство ЛСЭ. Оно шло довольно долго, потому что сначала нужно было подготовить помещение и изготовить необходимые компоненты. Наш ЛСЭ заработал в 2003 году. Примерно через год мы сделали каналы вывода излучения, ведь продукт нужно поставлять потребителю, а через два года у нас начали работать первые пользователи.

Вывод излучения из ускорительного зала осложнялся тем, что субмиллиметровое излучение плохо проходит через воздух. Чтобы решить эту проблему, нужно было сделать специальную магистраль, заполненную сухим азотом, специальную оптику, которая правильно фокусирует излучение.

Все это было сделано, заработала первая очередь нашей установки - ЛСЭ, который генерирует излучение в диапазоне длин волн от 110 до 240 мкм. С тех пор он работает, и наши пользователи получают свои научные результаты. Средняя мощность излучения - 0,5 кВт, а пиковая - около 1 МВт. В 2008 г. мы достроили наш ускоритель-рекуператор, добавив к магнитной системе еще два электроннооптических канала. С их помощью мы дважды ускоряем электроны, а затем дважды замедляем использованный электронный пучок.

Кстати, это - первый в мире "многопроходный" ускоритель-рекуператор. В 2009 г. мы запустили второй ЛСЭ. Он использует электроны с удвоенной (по сравнению с первым ЛСЭ) энергией и, вследствие этого, работает в более коротковолновом диапазоне длин волн - 50-80 микрон, со средней мощностью 0,5 кВт. В 2010 г. мы вывели излучение нового ЛСЭ на существующие пользовательские станции.

- Строительство ЛСЭ пришлось на 90е, как вы справлялись?

- Все знают, что в 90х гг. был провал в финансировании. Что-то мы успели сделать до него, после же продавали разработанное и изготовленное нами научное оборудование заграницу. Другими источниками финансирования были Министерство науки и Российская академия наук, в частности, интеграционные гранты Президиума Сибирского отделения РАН. Так, из разных мест, мы набрали средства.

Что касается "заграничных" разработок, то мы отослали оборудование старого ЛСЭ в Университет Дьюка, не бесплатно, естественно. Кроме того, мы делали ондуляторы для разных мировых центров - Университета Дьюка, Брукхейвенской национальной лаборатории, Аргоннской национальной лаборатории, и тоже на этом зарабатывали.

Еще мы сделали компактный ЛСЭ для Корейского института атомной энергии и (для них же) ускоритель, который является копией инжекционной части нашего ускорителя, а так же бустер (специальный ускоритель) и новый высокочастотный резонатор для Университета Дьюка. Таким образом, мы сами зарабатывали во время провала финансирования.

Затем стала расти доля государственного финансирования. Для строительства нашего ЛСЭ понадобились относительно небольшие деньги. Это связано еще и с тем, что все оборудование сделано на нашем экспериментальном производстве, в нашем институте.

- В чем уникальность нашего ЛСЭ?

- С самого начала работы мы получили мощность примерно полкиловатта, которая является рекордной для этого диапазона длин волн, но не предельна для ЛСЭ вообще. Электронный пучок, и излучение идут не непрерывно, а периодически в виде коротких сгустков. Поэтому пиковая мощность нашего излучения гораздо выше средней - порядка одного мегаватта.

- Какие еще есть подобные установки в мире?

- ЛСЭ сейчас довольно много, но в основном они имеют меньшую среднюю мощность, потому что не используют ускорителей-рекуператоров. Таких ускорителей в мире всего три - в лаборатории им. Джефферсона (США), в Японском институте исследований по атомной энергии (у них машина работает в импульсном режиме, то есть не непрерывно, поэтому средняя мощность поменьше) и у нас.

- В чем сложность получения терагерцового излучения?

- Сложность состоит в том, что пока его не было, то не было и соответствующей техники для работы с ним, например, измерителей мощности на этот диапазон, стандартной оптики, линз, потому что почти все материалы непрозрачны в этом диапазоне.

- Где применяется ЛСЭ?

- С излучением нашего ЛСЭ работает около 10 научных групп. Специфика этой работы заключается в том, что поскольку до этого никогда не было такого излучения, наши потенциальные пользователи не знают, что с ним можно делать.

Они пробуют работать, и у многих что-то не получается, поэтому они уходят. Но, к счастью, уходят не все, у некоторых есть интересные научные результаты. И мы небезосновательно надеемся, что со временем пользователей будет все больше и больше.

Сейчас у нас активно работают группы из Института химической кинетики и горения СО РАН и Института цитологии и генетики СО РАН, Института физики полупроводников СО РАН, Новосибирского и Московского государственных университетов. Планируют начать исследования сотрудники Института неорганической химии СО РАН, Института теоретической и прикладной механики СО РАН и Международного томографического центра.

- Есть ли куда совершенствоваться новосибирскому ЛСЭ? Что должно стать следующим шагом?

- Сейчас мы строим третий ЛСЭ, который будет на том же ускорителе, в этом году мы заканчиваем монтаж магнитной и вакуумной систем. Мы надеемся, что в будущем году мы его запустим, и он будет работать в диапазоне длин волн от 5 до 20 мкм, и тогда появятся еще более широкие возможности для работы наших пользователей.