Научные сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) в тесной коллаборации с коллегами из Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН (ИПФ РАН) осуществили цикл исследований, направленных на разработку методов генерации мощных (мультимегаватных) потоков терагерцевого (ТГц) излучения для интервала частот 0.15 – 1.5 ТГц (длина волны 2 – 0.2 мм).
Эти исследования базируются на использовании получаемых на ускорителях ИЯФ СО РАН пучков релятивистских электронов с током от единиц до десятков килоампер с уникально малым разбросом скоростей, что открывает возможность генерации субгигаватной импульсной мощности в потоке излучения для указанного интервала частот. Разрабатываемый принципиально новый метод генерации излучения, который базируется на коллективном торможении электронов пучка на волнах в плазме, уже обеспечил достижение уровня мощности выше 10 МВт в окрестности 0.2 ТГц, что является рекордом для настоящего времени. Проведенные фундаментальные исследования заложили основу для создания мощных генераторов, которые необходимы для новых методов трансформации структуры и свойств материалов, а также для высокоразрешающей локации объектов. Результаты, достигнутые совместной работой научных групп из двух институтов РАН, опубликованы в высокорейтинговых научных журналах IEEE Transactions on Plasma Science, «Физика плазмы», «Письма в журнал технической физики», а также отмечены премией РАН для коллектива молодых ученых.
В различных странах, включая Российскую Федерацию, работает значительное число источников терагерцевого излучения, которые называются лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). Эти весьма громоздкие сооружения обеспечивают генерацию излучения на частотах выше 1 ТГц (длина волны, соответственно, менее 0.3 мм) с высокой пиковой мощностью в кратковременном импульсе. При этом, содержание энергии в таком отдельном импульсе мало, а последовательность импульсов во времени обеспечивает невысокой уровень средней по времени мощности.
«Только новосибирский лазер на свободных электронах (НЛСЭ), созданный в ИЯФ СО РАН, способен поднимать длину волны излучения из области десятков микрон до уровня 0.4 мм при средней мощности потока излучения около 0.4 кВт, – прокомментировал главный научный сотрудник ИЯФ, профессор Андрей Аржанников. – Освоению интервала частот 0.075 – 1 ТГц (соответствующая длина волны 3 – 0.3 мм) с сохранением высокой мощности излучения мешает ряд трудностей, связанных с отсутствием приемлемого физического механизма генерации и подходящих инженерно-технических решений. В этих обстоятельствах оказалось, что среди мощных вакуумных приборов, разрабатываемых в мире за последние два десятилетия, только гиротроны, созданные в ИПФ РАН, способны генерировать мегаватную мощность на длине волны 2 – 3 мм. Однако переход к генерации более коротковолнового излучения при сохранении мощности оказывается все же сильно затруднен. Таким образом, интервал длин волн 2 – 0.2 мм (соответственно, частотный интервал от 0.2 до 1.5 ТГц) требовал новых путей решения задачи по генерации мощных потоков излучения».
Чтобы получать мощное терагерцевое излучение, специалисты ИЯФ СО РАН развивают два различающихся метода генерации, в которых используются пучки релятивистских электронов с током до нескольких десятков килоампер. В первом методе, который развит в сотрудничестве с коллегами из ИПФ РАН, генерация излучения осуществляется в вакуумных условиях с использованием резонаторов. Эксперименты этой направленности в области частоты 0.1ТГц уже проведены в ИЯФ на установке ЭЛМИ (Электронный ленточный пучок в магнитном поле как источник излучения). Совместно полученные результаты опубликованы в журналах IEEE Transactions on Electron Devices и «Письма в ЖТФ». Во втором принципиально новом методе, генерация излучения базируется на физическом механизме взаимодействия пучка с плазмой. Этот метод предложен в ИЯФ и впервые реализован также здесь в экспериментах на установке ГОЛ-ПЭТ (Гофрированная Открытая Ловушка – Плазменный Эмиттер Терагерцового излучения). Результаты этих исследований отражены, в частности, в Transactions on Plasma Science и в Plasma Phys. Rep.
«Терагерцевое излучение с каждым годом вызывает все больший интерес у специалистов, но все же остается малоосвоенным. Одна из задач, которая стоит перед теми, кто занят в этой области исследований – создание относительно компактных, но при этом мощных источников ТГц излучения, – прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ Денис Самцов. – Совместно с коллегами из ИПФ мы ищем новые подходы и возможности для осуществления процесса генерации излучения в этой спектральной области. В нашем институте занимаются получением и формированием сильноточных электронных пучков с большим уровнем тока (от десятка до сотни килоампер в пике), которые исторически применялись для нагрева плазмы в установках с магнитным удержанием плазмы. Но также эти сильноточные пучки можно использовать для получения полезного импульсного излучения, в данном случае терагерцевого диапазона. Это можно сделать как при помощи интенсивного взаимодействия такого пучка с плазмой, так и в случае накачки пучком волны в вакуумной электродинамической системе, различные варианты которой разрабатываются и успешно реализуются сотрудниками ИПФ РАН».
По словам Андрея Аржанникова, способ генерации в вакуумных устройствах, реализованный в рамках совместных работ сотрудников ИЯФ СО РАН и ИПФ РАН, основан на создании двумерно-распределенной положительной обратной связи в электродинамической системе лазера на свободных электронах, использующего пучок с килоамперным током.
«Такая положительная обратная связь обеспечивает высокую эффективность генерации ЛСЭ даже тогда, когда поперечный размер его рабочего канала в сто раз больше длины волны излучения, что может гарантировать высокий уровень генерируемой мощности. Этот подход реализован на установке ЭЛМИ, где электронный пучок, генерируемый на ускорителе У-3 в виде тонкой ленты, обеспечил одночастотную генерацию на длине волны 4 мм с мощностью около 50 МВт. Второй – принципиально новый способ, состоит в использовании пучка с током в десятки килоампер для накачки волн в протяженном плазменном шнуре, которые затем трансформируются в поток электромагнитного излучения указанного частотного интервала. В этих условиях снимаются ограничения на величину тока пучка, пропускаемого через генератор, и, как следствие, на величину генерируемой мощности. Этот принципиально новый метод генерации мощных потоков излучения реализован на установке ГОЛ-ПЭТ с использованием пучка, поступающего от ускорителя У-2. Здесь уже получен поток излучения с длиной волны около 1 мм (0.3 ТГц) с мощностью, также превышающей 10 МВт», – пояснил он.
Конечная цель изучения и развития этих двух способов генерации пучков – создание мощных, но компактных относительно ЛСЭ источников терагерцевого излучения, которые были бы способны генерировать субгигавантные мощности на высокой частоте – от 0.1 до 1 ТГц.
«В этой области частот наблюдается недостаточное количество источников излучения, а существующие работают с относительно малыми мощностями – милливатты, десятки милливатт и, в редких случаях, сотни милливатт, – добавил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Евгений Сандалов. – Фишка и новизна нашего подхода именно в методах пучково-плазменного и пучково-волнового взаимодействия, которые позволяют эту область частот освоить. Основная сложность кроется в физических и технических тонкостях создания таких установок и проведения экспериментов».
Одними из важных устройств, которые необходимы для развития методов генерации терагерцевого излучения нужного диапазона частот, являются электродинамические системы, или резонаторы. ИПФ РАН разрабатывает такие устройства для мощных СВЧ генераторов различных типов, как и гиротроны, на протяжении многих лет.
«Мы предложили и запатентовали новый тип резонатора, который должен позволить реализовать МСЭ генератор на основе ленточного пучка ускорителя “У-2”, – прокомментировала младший научный сотрудник ИПФ РАН и ИЯФ СО РАН Екатерина Егорова. – Было проведено численное моделирование и расчет электронно-волнового взаимодействия ленточного пучка в разработанной структуре. Проведенные аналитические исследования показывают возможность генерации ТГц излучения на частоте 75 ГГц с длиной волны 4 мм и выходной мощностью до 10 ГВт, что является рекордом в указанном диапазоне».
Таким образом, в цикле работ с участием молодых научных сотрудников созданы источники излучения в интервале частот 0.075 – 0.6 ТГц с рекордной в импульсе мощностью. Такие источники уже сейчас открывают возможность проведения ранее недоступных экспериментов в области материаловедения, медицины и биологии. Безусловно, достигнутые результаты послужат основой для подъема мощности в отмеченном частотном интервале, а также дальнейшего продвижения в область 0.6-1.2 ТГц, недоступную для других схем генерации потоков излучения.
Младший научный сотрудник ИПФ РАН и ИЯФ СО РАН Екатерина Егорова