24 января 2017

Запущен первый пучок на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах

НИЯУ МИФИ
Схематическое изображение движения электрона в ондуляторе

Инженеры Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European-XFEL) запустили первые электроны в охлажденный основной ускорительный комплекс прибора. Электроны, вылетевшие из инжектора, пролетели первый ускорительный сегмент, сжимающую пучок секцию и завершили свой путь через 150 метров. Тесты стали возможными после полного охлаждения сверхпроводящих СВЧ резонаторов ускорительного комплекса жидким гелием.

И.о. заведующего кафедрой физики твердого тела и наносистем (№70), профессор Алексей Павлович Менушенков рассказал про особенности лазера на свободных электронах и отметил роль России в строительстве Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах.

– Лазер на свободных электронах (ЛСЭ) – совершенно другой тип лазеров по сравнению с теми, к которым мы привыкли. В нем, также как и в циклических ускорителях – синхротронах, излучение образуется ультрарелятивистскими заряженными частицами, движущимися по искривленным траекториям в магнитном поле.

В отличие от синхротронов ЛСЭ является линейным ускорителем, в котором электроны проходят достаточно длинные промежутки в так называемых ондуляторах – устройствах, состоящих из большого количества магнитных полюсов, направленных навстречу друг к другу. В результате, движение ультрарелятивистского электрона, то есть почти со скоростью света, происходит по змеевидной траектории. В процессе движения электрон на каждом своем изгибе излучает синхротронное излучение, которое благодаря эффекту самоусиления спонтанного излучения (SASE) и большой длине ондулятора приводит к тому, что излучение на выходе из ондулятора становится когерентным.

Лазеры на свободных электронах можно подразделить на три группы использования в разных областях энергии фотонов. Например, лазер, построенный недавно в Китае, работает в области ультрафиолетового излучения и мягкого рентгена. Первый ультрафиолетовый лазер на свободных электронах в мягкой рентгеновской области FLASH начал работать в 2005 году в Центре синхротронных исследований DESY (Гамбург, Германия). С точки зрения интенсивности, яркости излучения китайский аналог возможно и превзошел его, но это не является самым важным достижением в этой сфере.

Кроме этого, существуют лазеры в инфракрасной области, то есть с большими длинами волн с малыми энергиями квантов. Они очень важны для изучения взаимодействия с живой материей. В России такой лазер успешно работает в ИЯФ СО РАН (Новосибирск).

Третий тип лазеров работает в области жесткого рентгеновского излучения. Первый рентгеновский ЛСЭ – LCLS построен в Стэнфорде (США) в 2011 году.

В настоящее время заканчивается строительство Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL (Гамбург, центр DESY). Длина лазера – три километра в туннеле под землей. Доля участия России — вторая по значимости после Германии и составляет 25% от общей его стоимости.

На данный момент идет обсуждение и создание экспериментальных станций на разных уровнях. В рабочую группу по разработке российских предложений, созданную при НИЦ «Курчатовский институт», входят несколько представителей МИФИ: доцент кафедры №70 Валерий Леонидович Носик, профессор кафедры № 32, сотрудник DESY Иван Анатольевич Вартаньянц, доцент кафедры №21 Сергей Алексеевич Пикуз и я.

Рентгеновский лазер по яркости излучения на 10 порядков превосходит яркость самого мощного источника синхротронного излучения. Особенность XFEL – очень короткая длительность импульса, состоящего из пичков с фемтосекундной длительностью. В результате этого можно наблюдать воздействие когерентного рентгеновского излучения на вещество вплоть до атомарного и молекулярного уровня, изучать химические и физические процессы наномира, биофизики и медицины. Сейчас значительная часть научных групп занята подготовкой экспериментов на лазере.