Компьютерра PDA N58 (18.09.2010-24.09.2010)

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.