В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) запущен первый в мире лазер на свободных электронах, использующий ондулятор с плавно изменяемым периодом. Оригинальный ондулятор, напоминающий гармошку, предложен, сконструирован и изготовлен в ИЯФ СО РАН, и включает в себя сто магнитных полюсов. Разработка крайне важна для пользовательских установок — лазеров на свободных электронах и источников синхротронного излучения, поскольку позволяет существенно расширить диапазон генерируемого излучения и упростить работу пользователей — физиков, химиков, биологов и пр.
Новосибирский лазер на свободных электронах (ЛСЭ) — источник мощных пучков терагерцового излучения — является одной из главных пользовательских установок Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения (СЦСТИ) СО РАН. Средняя мощность излучения лазера — рекордная в мире, что позволяет проводить на установке уникальные эксперименты в области физики, химии, биологии, материаловедения и медицины. Также в состав СЦСТИ СО РАН входит два источника синхротронного излучения: накопитель ВЭПП-3 и электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-4М. Синхротронное излучение (СИ) — это электромагнитное излучение заряженных частиц, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света, по траекториям, искривлённым с помощью магнитного поля. Для создания магнитного поля используются поворотные магниты и ондуляторы, или вигглеры.
Ондуляторы — основные элементы в источниках синхротронного излучения и лазерах на свободных электронах. Это магнитные системы, которые создают знакопеременное периодическое магнитное поле. Это поле нужно для того, чтобы проходящие в нем электроны приобретали волнообразную траекторию. При движении зарядов по этой траектории они испускают излучение довольно высокой мощности. Для изменения длины волны этого излучения необходимо менять параметры магнитной системы.
В большинстве ондуляторов, которые работают на установках по всему миру, длина волны излучения регулируется изменением величины магнитного поля, при этом период ондулятора остается тем же. В электромагнитных ондуляторах изменяются токи, в ондуляторах на постоянных магнитах — рабочий зазор, в результате меняется магнитное поле и излучаемая длина волны. Но при изменении величины магнитного поля диапазон перестройки невелик.
«Механически гораздо проще поменять зазор ондулятора, чем период, — прокомментировал заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН член-корреспондент РАН Николай Винокуров. — Чтобы менять период, необходимо систему раздвигать, как гармошку, а это сложная задача. Мы догадались использовать для ее решения расталкивание постоянных магнитов. Что это значит? Постоянные магниты могут не только притягиваться друг к другу, но и сильно отталкиваться одноименными полюсами. Нами была предложена конструкция, где магниты отталкиваются, как если бы между ними были пружины, только вместо пружин — магнитное поле. Раз между элементами есть расталкивание, то достаточно зафиксировать края и двигать их взад-вперед».
Главное преимущество нового ондулятора состоит в том, что благодаря оригинальной конструкции удается получить больший диапазон перестройки длины волны излучения.
«Устройство действительно напоминает гармошку: так же сдвигается и раздвигается, с той лишь разницей, что вместо мехов — сто магнитных полюсов, которые и создают переменное магнитное поле, — пояснил научный руководитель научного направления СИ академик РАН Геннадий Кулипанов. — Это довольно длинная конструкция. Самое главное, что в ней реализовано — то, что при изменении длины волны продолжается генерация излучения лазера на свободных электронах. Применение таких ондуляторов позволяет расширить диапазон перестройки длин волн для источников СИ и ЛСЭ. Менять период стало возможным практически одним нажатием кнопки. Предложить это было важно, но еще важнее — сконструировать и изготовить».
Впервые идея ондулятора была представлена двенадцать лет назад ведущим научным сотрудником ИЯФ СО РАН кандидатом физико-математических наук Олегом Шевченко на конференции по лазерам на свободных электронах. После этого лабораторией 8-1 и научно-конструкторским отделом института при определяющем участии старшего научного сотрудника ИЯФ СО РАН Владимира Ческидова была спроектирована оригинальная конструкция, в которой были реализованы уникальные механические решения. Например, для обеспечения минимального трения между секциями ондулятора и направляющими была предложена специальная система на подшипниках качения. Также НКО разработал систему для магнитных измерений. Затем ондулятор был и изготовлен в экспериментальном производстве ИЯФ СО РАН. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда 14-12-00480 «Разработка и изготовление прототипа ондулятора с переменным числом периодов и исследование его магнитного поля». После изучения магнитного поля ондулятора при разных периодах было решено поставить его вместо одного из старых электромагнитных ондуляторов на уникальную научную установку «Новосибирский ЛСЭ», но чтобы запустить устройство в работу, пришлось кое-что сделать дополнительно — в частности, вакуумную камеру и подвески на установку.
По словам ученых, ондулятор с переменным периодом — не просто ноу-хау, это первое устройство такого типа, которое работает на действующей установке. В данный момент команда установки «Новосибирский ЛСЭ» изучает, как меняется длина волны в разных диапазонах изменения периода. Таким образом исследователи получают информацию о том, какие минимальные и максимальные длины волн, соответствующие разным периодам, позволяет получить ондулятор.
На Новосибирском ЛСЭ работают пользователи из нескольких институтов Сибирского Отделения РАН и НГУ, а также из университетов и исследовательских институтов Москвы, Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода, Самары, Южной Кореи и Германии. Здесь проводятся научные исследования в области изучения кинетики химических реакций, молекулярной спектроскопии, молекулярного магнетизма, биологии, медицины, физики полупроводников, материаловедения и физической оптики.
«Нашим пользователям нужна перестраиваемая длина волны, они хотят работать с излучением в разных диапазонах, и теперь им станет намного удобнее вести исследования, — сказал Николай Винокуров. — Основное преимущество, которого мы добиваемся — расширение диапазона перестройки длины волны. Мы предполагаем, что теперь эта перестройка будет занимать значительно меньше времени, и, соответственно, можно будет быстрее менять длины волн».
Установка «Новосибирский ЛСЭ» включает в себя три лазера на свободных электронах, которые работают в разных диапазонах длин волн. Соответственно, потребители могут использовать излучение и от первого, и от второго, и от третьего. В данный момент для оптимизации работы установки один из электромагнитных ондуляторов заменен на ондулятор на постоянных магнитах с переменным периодом. В ближайшие годы планируется заменить еще один электромагнитный ондулятор на ондулятор с переменным периодом. Второй ондулятор будет отличаться от первого конструкцией и свойствами. В частности, если в первом использовались стандартные постоянные магниты, то для второго будут изготовлены на заказ магниты сложной формы, позволяющие получить большее поле в рабочей области ондулятора.
Если будет обеспечено должное финансирование, новые ондуляторы можно будет использовать в различных перспективных проектах, в том числе связанных с источниками синхротронного излучения.
«Буквально на днях подписано соглашение с Министерством науки и высшего образования РФ по разработке новых подходов к созданию источников СИ. Нам выделен грант в форме субсидии на разработку специализированных ондуляторов и электронного накопителя, на который эти ондуляторы будут установлены. Мы собираемся продолжать исследования, направленные на расширение возможностей ЛСЭ и других источников излучения, работающих в разных диапазонах длин волн, в том числе в рентгеновском», — подчеркнул Николай Винокуров.
Инженер Ярослав Горбачёв с ондулятором Николай Винокуров