Доктор физико-математических наук Виталий МИХАЙЛИН, руководитель отдела физических проблем квантовой электроники Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д. В. Скобельцына, заведующий кафедрой оптики и спектроскопии физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова

Во всех областях науки, где изучается взаимодействие излучения с веществом, широкое применение в настоящее время находит синхротронное излучение. Данной тематикой интенсивно занимается коллектив отдела физических проблем квантовой электроники НИИЯФа им. Д. В. Скобельцына МГУ. А начались эти работы более полувека назад.

ГОЛУБОЙ СВЕТ

Открытие синхротронного излучения (СИ) предсказали весной 1944 г. доктора физико-математических наук Дмитрий Иваненко и Исаак Померанчук (академик с 1964 г.). Выступая на семинаре по теоретической физике в МГУ, где обсуждался вопрос о предельной энергии ускорения электронов в бетатроне (циклическом индукционном ускорителе*), они высказали предположение, что причиной ограничения этого показателя является магнитотормозное

* Циклический ускоритель - ускоритель заряженных частиц, в котором они движутся по орбитам, близким к круговым или спиральным, многократно проходя через одни и те же ускоряющие электроды (прим. ред.).

излучение, мощность которого пропорциональна четвертой степени энергии ускоренной частицы. И хотя не все присутствовавшие с таким объяснением согласились, авторы гипотезы все же отправили в печать статьи с изложением своих идей, в том же году опубликованные в журналах "Доклады АН СССР" и Physical Review (США).

А вскоре американский физик Джон Блюитт показал, что теоретическое предсказание Иваненко и Померанчука подтверждается: при достижении электроном максимальной энергии ~ 100 МэВ наблюдается радиационное сокращение радиуса его орбиты, и частица падает на внутреннюю мишень. Попытки же Блюитта визуально зафиксировать это излучение, а также обнаружить его в микроволновом диапазоне оказались безуспешными. Но удача совершенно случайно улыбнулась его молодому коллеге, сотруднику той же лаборатории инженеру Флойду Хаберу. В апреле 1947 г. при профилактике стеклянной камеры синхротрона* на 80 МэВ он снял часть металлизированного покрытия, непрозрачного для света. Когда же ускоритель вновь включили, яркий голубой свет, испускаемый электронами, вырвался за пределы его камеры в лабораторию.

Так впервые наблюдалось излучение релятивистских (близких к скорости света) электронов, получившее название синхротронного. Годом позже Дмитрий Иваненко и доктор физико-математических наук Арсений Соколов (в то время декан физи-

* Синхротрон - один из типов резонансных циклических ускорителей. Характеризуется тем, что в процессе ускорения частиц орбита пучка остается постоянного радиуса, а ведущее магнитное поле поворотных магнитов, определяющих этот процесс, возрастает. Кроме того остается постоянной частота ускоряющего электрического поля (прим. ред.).

ческого факультета МГУ) опубликовали в журнале "Доклады АН СССР" статью "К теории "светящегося" электрона", где привели расчеты соответствующих угловых и спектральных характеристик. Последующие работы наших теоретиков заложили основы школы физфака МГУ в этой области. В итоге в библиографическом списке работ физиков Московского университета по исследованию синхротронного излучения и его применениям на сегодня насчитывается более 1200 публикаций, десятки докторских и сотни кандидатских диссертаций.

А самые первые в нашей стране экспериментальные проверки "теории светящегося электрона" были проведены в 1956 г. Юрием Адо (позднее - доктором физико-математических наук) и доктором физико-математических наук Павлом Черенковым (нобелевский лауреат 1958 г., академик с 1970 г.). Далее изучение свойств синхротронного излучения продолжили теоретики и экспериментаторы МГУ (доктор физико-математических наук Игорь Тернов, кандидаты физико-математических наук Олег Куликов, Алексей Яров и др.) совместно с лабораторией электронов высоких энергий ФИАНа им. П. Н. Лебедева (доктор физико-математических наук Михаил Якименко, кандидат физико-математических наук Юрий Александров и др.). Эти работы поддержал директор ФИАНа академик Дмитрий Скобельцын. Уже в 1967 г. при его поддержке здесь был построен первый в стране спектроскопический канал на синхротроне на 680 МэВ.

Но вернемся в 1940-е годы. Еще в 1948 г. кандидат физико-математических наук Александр Прохоров (один из основоположников квантовой электроники, нобелевский лауреат 1964 г., академик с 1966 г.) провел серию успешных экспериментов по изучению когерентных свойств излучения релятивистских электронов, движущихся в однородном магнитном поле. И доказал, что синхротронное излучение можно использовать в качестве источника когерентного излучения в сантиметровом диапазоне, определил характеристики и уровень мощности источника. Эти исследования составили тему его докторской диссертации, которую он защитил в 1951 г. Здесь уместно напомнить: при поддержке академика Скобельцына Прохоров в короткие сроки вместе с группой молодых сотрудников лаборатории колебаний ФИАНа создал отечественную школу радиоспектроскопии. В числе этих сотрудников был и выпускник Московского инженерно-физического института Николай Басов (наряду с Александром Прохоровым один из основоположников квантовой электроники, нобелевский лауреат 1964 г., академик с 1966 г.). Но о развитии этих работ чуть позже, а пока расскажем о свойствах синхротронного излучения.

Природа его связана с испусканием электромагнитных волн ускоренным зарядом. В циклическом ускорителе он движется почти со скоростью света по

Схема циклического ускорителя:

1 -инжектор,

2 - вакуумная камера,

3 - ускоряющие промежутки,

4 - квадранты магнита,

5 - сгусток электронов.

окружности в магнитном поле, практически однородном вдоль траектории частицы. В этих условиях релятивистский электрон становится мощным источником электромагнитного излучения.

Рассмотрим кратко устройство такой установки. Из инжектора (как правило, это линейный ускоритель электронов или микротрон) предварительно разогнанные частицы попадают на круговую орбиту. "Захват" их в режим синхротронного ускорения возможен при достижении ими релятивистских скоростей. А на круговой орбите они удерживаются полем поворотных магнитов, которое увеличивается по мере роста энергии электронов (предел ее в бетатроне равен примерно 300 МэВ).

Синхротрон, как и бетатрон, относится к типу циклических ускорителей, но по сравнению со вторым имеет ряд преимуществ. Обычно его круговая камера разделяется на 4 части (квадранты), а между ними образуются прямолинейные промежутки. В один из них устанавливают резонатор с меняющимся электрическим полем; в нем электроны ускоряются почти до скорости света. Преимущества синхротрона значительны, ибо магниты, в отличие от бетатрона, установлены только на криволинейных участках траектории, а потери энергии на СИ компенсируются. Поэтому предел достижимой энергии определяется линейными размерами ускорителя, магнитными полями и потерями на СИ.

Основная мощность синхротронного излучения сосредоточена в жесткой области спектра - вакуумном ультрафиолете и рентгене - и именно этот диапазон длин волн важен для практического применения СИ. При этом существенны две характеристики последнего - угол раствора и длина волны максимума.

Пионерами в исследовании поляризационно-угловых характеристик СИ были упомянутый Олег Куликов с соавторами. На синхротроне ФИАНа на 680 МэВ ими были получены фотографии углового распределения интенсивности СИ в компонентах линейной поляризации* излучения для энергии электронов 250 МэВ. Эксперимент в согласии с теорией показал, что компонента линейной поляризации с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости орбиты, имеет характерное угловое распределение с минимумом в плоскости последней. Компонента с электрическим вектором, параллельным плоскости орбиты, имеет максимум в ее плоскости. Непосредственно же в ней излучение почти полностью линейно поляризовано. "Вырезая" излучение в плоскости орбиты, можно получить линейную поляризацию, достигающую 98%. Усредненная по всем углам и длинам волн степень линейной поляризации достигает 75%. Эти показатели очень важны для изучения характеристик СИ.

Временная структура синхротронного излучения связана с типом машины, являющейся его источником. На синхротроне цикл ускорения, как правило, повторяется с частотой 50 Гц, и с такой же периодичностью - пакеты импульсов СИ. Длина сгустка электронов на орбите определяет длительность этого минимального импульса, она достигает сотен пикосекунд.

Следующим после синхротронов, но уже специализированным источником указанного излучения стали накопители. В них электроны живут на орбите часами. Здесь важно учесть длину сгустка, достигающую нескольких сантиметров (длительность до 100 пс), число сгустков на орбите и частоту обращения электрона.

* Линейная поляризация - состояние распространяющейся электромагнитной волны (например, световой), при котором ее электрический вектор в каждой точке пространства, занятого волной, совершая колебания, остается все время в одной и той же плоскости, проходящей через направление распространения волны (прим. ред.).

Угловое распределение излучения релятивистского электрона, движущегося по круговой орбите: 1 - орбита, 2 - направление излучения, D - точка наблюдения.

Угловое распределение излучения ускоряемого электрона:

а - нерелятивистский электрон,

b - релятивистский продольно ускоряемый электрон,

с - релятивистский поперечно ускоряемый электрон.

У накопителей как источников СИ есть важные преимущества перед синхротронами. Они связаны с возможностью длительного использования излучения моноэнергетических, т.е. обладающих одинаковой кинетической энергией, электронов, накопления большого числа частиц на орбите, меньшим сечением пучка электронов, более высоким вакуумом (10 ^{- 9} торр) и низким радиационным фоном вокруг установки, что позволяет располагать исследовательскую аппаратуру в непосредственной близости от источника СИ и др. Синхротроны как источники СИ сыграли важную историческую роль в его изучении: на них оно было обнаружено, исследованы его основные характеристики, начаты (и идут до сих пор) эксперименты по его использованию. Но будущее, конечно, за накопителями: именно на их основе созданы и разрабатываются специализированные источники СИ.

ОНДУЛЯТОРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

В 1947 г. будущий академик Виталий Гинзбург (нобелевский лауреат 2003 г.), изучая проблему создания достаточно мощных и надежных генераторов в области микроволнового диапазона, обратил внимание на возможность излучения релятивистскими электронами при их движении в системах с периодическим знакопеременным магнитным полем. Рассмотренная им задача явилась очень удачной моделью будущих приборов генерации электромагнитного излучения, получивших название ондуляторов. Впервые этот термин встречается в работах английского физика Г. Мотца, предложившего в 1951 г. идею такого магнитного устройства - в нем предполагалось прохождение электронами последовательного ряда магнитных полей разной полярности. На созданном в США в 1953 г. приборе были проведены первые эксперименты по наблюдению ондуляторного излучения в СВЧ-диапазоне и в области видимого света - оно генерировалось при прохождении через прибор релятивистских электронов, разогнанных с помощью линейного ускорителя до энергии 120 МэВ. Так вошел в жизнь новый макроскопический генератор света, излучающий видимую его часть.

Подобно синхротронному, ондуляторное излучение вначале не привлекло к себе особого внимания. Это было связано в значительной мере с тем, что прибор, на котором его получали, рассматривался главным образом как источник излучения в миллиметровом диапазоне волн. Тем не менее успешно проведенные первые эксперименты стимулировали дальнейший поиск. В Советском Союзе теоретические исследования в этом направлении проводили ученые физичес-

Рассчитанная излучаемая мощность синхротронного излучения (W) в зависимости от длины волны при различной энергии электрона.

кого факультета МГУ, Института ядерной физики СО АН СССР (Новосибирск), Физического института АН СССР им. П. Н. Лебедева, Томского государственного университета, а также Ереванского физического института, что привело к разработке достаточно полной теории изучаемого явления.

Первые наблюдения излучения из ондулятора, встроенного в камеру циклического ускорителя, были проведены в нашей стране. В 1977 г. группа сотрудников ФИАНа под руководством академика Павла Черенкова и физического факультета МГУ обнаружила его на синхротроне ФИАНа "Пахра", ускоряющего электроны до энергии 1,2 ГэВ. Они же получили первые фотографии нового типа излучения, изучили его спектральные и угловые характеристики, эффект так называемой квазимонохроматичности: ондуляторное излучение, в отличие от синхротронного, в зависимости от угла имеет разную длину волны. История визуального наблюдения повторилась: подобно синхротронному, впервые обнаруженному в 1947 г., ондуляторный свет вырвался из окна ускорительной камеры и заявил о своем существовании.

Сообщение о достижении советских физиков на Международной конференции по синхротронному излучению в Орсе (Франция, 1977 г.) вызвало большой интерес: открывались возможности для экспериментального изучения свойств нового излучения, намечались пути его применения (наряду с синхротронным) в физике, химии, биологии, в технологических процессах. Ондуляторы прочно завоевывали роль необходимых приборов во всех источниках синхротронного излучения, расширяющих их эффективность и возможности эксперимента. А в последние годы они приобретают все более важное и самостоятельное значение в связи с реализацией программы создания генераторов когерентного излучения на свободных электронах. Новый этап развития техники по существу предполагает "второе рождение" ондуляторов, при этом рассмотренное выше синхротронное излучение из поворотных магнитов отодвигается на второй план.

Лазеры на свободных электронах - физика сегодняшнего дня. В этих макроскопических приборах происходит усиление (или генерация) когерентного электромагнитного излучения свободными (не связанными в атоме или молекуле) релятивистскими электронами. Одной из возможностей реализации такого лазера является индуцированное излучение электронов в ондуляторе, при этом усиливаемая волна распространяется в направлении поступательного движения электронов, движущихся с релятивистской скоростью. Перспективность таких прибо-

Плоский ондулятор и его излучение.

ров подчеркивается возможностью плавной перестройки частоты прибора в широком диапазоне простым изменением параметров - энергии частицы и напряженности магнитного поля, а также достаточно простым управлением поляризацией электромагнитных волн.

Таким образом, свойства ондуляторного излучения оказались настолько привлекательными, что сам прибор теперь выходит на первый план как новый самостоятельный источник излучения - особый инструмент физических исследований. А в свете этого меняются и функции как накопителя, так и ускорителя - они теперь начинают играть вспомогательную роль как источники быстрых электронов, необходимых для работы ондулятора.

РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Одним из первых научных центров в нашей стране, где во второй половине 1950-х годов началось развитие новой области физики - квантовой электроники, был НИИЯФ МГУ. В 1954 г. по предложению академика Скобельцына, одновременно являвшегося директором ФИАНа и НИИЯФа, Александр Прохоров, возглавлявший в ФИАНе лабораторию колебаний, основал в НИИЯФе новое подразделение, предназначенное для решения некоторых задач ядерной физики радиоспектроскопическими методами. Предполагалось начать с изучения методом электронного парамагнитного резонанса соединений, обогащенных определенными стабильными и радиоактивными изотопами, с целью определения пока неизвестных ядерных констант.

И уже в 1955 г. в этой организованной Прохоровым новой лаборатории начали эксперименты на установках, созданных руками ее первых сотрудников и студентов. Такому быстрому развороту работ способствовало тесное и плодотворное взаимодействие с лабораторией колебаний ФИАНа, где к тому времени уже был накоплен значительный методический и технический опыт радиоспектроскопических исследований. Заметим, впоследствии оно вылилось в продолжающееся до настоящего времени сотрудничество с рядом научных подразделений выросшего из лаборатории колебаний Института общей физики АН СССР (позднее - РАН), возглавлявшегося с момента его образования академиком Прохоровым.

Организация в НИИЯФе МГУ лаборатории радиоспектроскопии совпала по времени с рождением квантовой электроники. Оно связано с экспериментальным осуществлением в 1954 - 1955 гг. в Колумбийском университете (США) и в ФИАНе молекулярных генераторов (мазеров), рабочей средой в которых являлся пучок молекул аммиака. Следующим шагом на пути развития этой новой области физики явилось создание квантовых парамагнитных усилителей сверхвысокочастотного диапазона - твердотельных мазеров, обладающих предельно низким уровнем собственных шумов и поэтому рекордной чувствительностью. Их действие основано на явлении электронного парамагнитного резонанса, и для работы этих усилителей требуются низкие (гелиевые) температуры. Поскольку в лаборатории спектроскопии имелись тогда практически все необходимые условия, именно здесь под руководством Прохорова и совместно с лабораторией колебаний ФИАНа в 1958 г. был создан первый в нашей стране и один из первых в мире действующих лабораторных макетов квантового парамагнитного усилителя.

Важное место среди активных веществ, на основе которых действуют квантовые усилители и генераторы как радиочастотного, так и оптического диапазонов (мазеры и лазеры), занимают так называемые "примесные кристаллы", содержащие изоморфные (т.е. "встроившиеся" на место некоторых основных атомов кристаллической решетки) примесные ионы переходных групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Изучение свойств примесных

кристаллов и протекающих в них физических процессов методами радиочастотной и оптической спектроскопии позволяет выяснить не только принципиальную пригодность их использования в качестве активных веществ, но и предсказать основные характеристики создаваемых на этой основе квантово-электронных приборов, находить пути улучшения их характеристик.

С 1958 г. на протяжении почти десяти лет лаборатория НИИЯФа МГУ совместно с ФИАНом и рядом других институтов участвовала в исследованиях и разработках, которые привели к созданию целой гаммы квантовых парамагнитных усилителей на различные диапазоны длин волн. Они внедрены в системы дальней космической связи, радиоастрономию и получили высокую оценку: члены авторского коллектива - сотрудники НИИЯФа (в их числе доктора физико-математических наук Георгий Зверев и Леонид Корниенко), ФИАНа и других организаций были отмечены Государственной премией СССР в области науки и техники 1976 г.

Фундаментальные исследования кристаллов с примесями ионов переходных групп железа и редких земель, проведенные в лаборатории НИИЯФа в 1950 - 1960-х годах, стали заметным вкладом в физику твердого тела и радиоспектроскопию, в физические основы квантовой электроники.

К этому времени относится и начало работ в области лазерной физики. Так, в 1962 г. в лаборатории был запущен первый лазер (на рубине). Его использовали при создании импульсных квантовых парамагнитных генераторов миллиметрового диапазона длин волн (вплоть до 1 мм) с оптической накачкой. При этом, в частности, освоили методику получения сильных (до 10 Тл) импульсных магнитных полей.

Затем последовал цикл работ по лазерной генерации на ряде впервые синтезированных кристаллов. В их числе - лазерный излучатель на кристалле ниобата лития с примесью ниодима (LiNb0₃:Nd³⁺). Кристаллы ниобата лития (беспримесные) нашли в те годы широкое применение в квантовой электронике для получения гармоник и модуляции лазерного излучения. Очевидно, что лазер на таком кристалле, обладающем одновременно хорошими электрооптическими характеристиками, представлял интерес для многих практических приложений.

В начале 1970-х годов ведущая роль в проводимых у нас исследованиях переходит от радиоспектроскопических методов к оптическим. В итоге была сформирована единая лаборатория физических проблем квантовой электроники, позднее преобразованная в отдел. Значительное место в ее тематике заняло изучение динамики генерации твердотельных лазеров, в частности, с оптической линией задержки внутри резонатора. Последняя позволяет существенно увеличить его эффективную длину и изменять ее в широких пределах, тем самым управляя характеристиками твердотельного лазера в различных режимах. Эти работы отдела намного опередили аналогичные исследования в других научных центрах нашей страны и за рубежом.

Уже в последнее время использование СИ для тестирования и исследования сцинтилляторов*, предназначенных для Большого адронного коллайдера** (Европейский центр ядерных исследований - ЦЕРН, Швейцария), позволило получить для его детекторов образец с коротким (наносекундным) временем сцинтилляции. В результате все 150 т этих веществ (вольфрамата свинца) были изготовлены на российских предприятиях. В отделе также разрабатывались высокоэффективные сцинтилляторы для физики высоких энергий и медицины (позитрон-эмиссионная томография).

* Сцинтилляторы - вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов и т.д.). Основное их применение - сцинтилляционные детекторы ядерных излучений {прим. ред.).

** См.: Л. Смирнова. МегапроектХХ! века. - Наука в России, 2009, N 5 (прим. ред.).

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: