Cel mai mare premiu științific din România a fost acordat Prof. NA Vinokourov (Institutul de Fizică Nucleară Budker.) Pentru realizările sale în dezvoltarea și crearea de lasere cu electroni liberi - surse puternice de radiatii coerente.
cu laser electron liber (LEF) este un dispozitiv care transformă energia în radiație electromagnetică de electroni care se deplasează aproape de viteza luminii. Diferența principală de celelalte lasere - posibilitatea de a obține o radiație monocromatică într-un interval de lungimi de undă unprecedentedly largă (de la 1 nm până la 0,1 mm) și o ajustare relativ rapidă de la o lungime de undă la alta.
lasere cu electroni liberi - surse puternice de radiatii coerente produse prin mișcarea particulelor încărcate într-un câmp magnetic periodic și aproape de radiația sincrotron. Principalul domeniu de aplicare a acestor sisteme - cercetarea în domeniul științei materialelor, chimiei, cristalografie, fizica stare solida, biologie moleculara.
Dispozitiv pentru convertirea energiei de electroni care se deplasează aproape de viteza luminii, energia radiațiilor electromagnetice sunt numite lasere cu electroni liberi (LEF).
Recunoscut avantaj al acestui dispozitiv, eliberând-o de alte lasere, este posibilitatea de a obține o radiație monocromatică la orice lungime de undă în intervalul unprecedentedly largă de la 0,1 nm până la 1 mm. În acest caz, o restructurare relativ rapidă a laserului de la o lungime de undă la alta în intervalul de până la zeci de procente.
amplificator de lumină
Chiar și în 1947, fizicianul sovietic V. L. Ginzburg sugerat utilizarea câmpului periodic pentru a spori intensitatea emisiei unei particule încărcate rapid și au calculat parametrii acestei radiații. Mai târziu a fost creat un dispozitiv numit undulator. crearea unui câmp magnetic periodic pentru a organiza o mișcare specială a electronilor de-a lungul traseului ondulator de-a lungul axei longitudinale a instrumentului. Amplificarea rezultantă radiației electromagnetice este esența muncii FEL, iar puterea radiației electromagnetice în sine este laserul de electroni liberi.
Acest nume poate fi explicat prin faptul că alte tipuri de lasere utilizate radiație de electroni asociat cu lasere sale atom sau semiconductoare - cu cristalul. Cu toate acestea, în LEF electronii nu sunt complet libere, deoarece acestea efectuează vibrații forțate în undulator. Funcționarea oricărui cu laser se bazează pe fenomenul de emisie stimulată cauzată de cronometrare corespunzătoare emițătorii separate (electroni, atomi, molecule) ale undei amplificate exterior. Sincronizarea LEF se produce din cauza acumularii longitudinale.
Din păcate, eficiența LEF (energia electronilor parts transformată în energie radiație electromagnetică) electronic este foarte scăzută - mai puțin de 1%. Acest lucru se datorează tocmai pierderii condițiilor de sincronism pentru electroni lente în fasciculul.
CUM Fel amplifica lumina
Imaginați-vă că undulator cuprinde un electromagnetic λ monocromatic lungimea de undă și un fascicul de electroni rapizi, distribuite uniform de-a lungul axei longitudinale a instrumentului și se deplasează cu viteza v, este aproape egal cu viteza luminii.
Fiecare electron se mișcă în undulator de-a lungul căii ondulator. Pentru puternic (rezonanță) a electronului și interacțiunea undelor electromagnetice este necesar să se asigure că condițiile de sincronism cu trecerea unei perioade a traiectoriei de electroni este de a ține pasul cu valul exact lungimea lambda sale (datorita enorme viteze valoare lambda este foarte scăzută).
Dacă energia electronilor și lungimea de undă, astfel încât starea de potrivire fază este satisfăcută, atunci există o redistribuire a energiei particulelor.
În primul rând, energia medie de electroni nu se schimbă, dar modulația se produce, iar fasciculul este împărțit în straturi valoarea: / 2 cu grosime alternativ semn abaterii energie din valoarea inițială.
Cu toate acestea, particulele de energie mai mici sunt zboară mai încet, și mai mult - mai rapid. Ca rezultat, straturile „rapid“ prinderea „lent“, ceea ce conduce la modularea densității de electroni, cu o perioadă de aproximativ λ.
În a doua jumătate a undulator se repetă același lucru: accelerarea și decelerarea straturilor alternante, dar acum energia își pierd straturi cu o densitate mai mare a particulelor, și să dobândească straturi - mai puțin. Energia medie a electronilor și se încadrează în conformitate cu legea de conservare a energiei cu o putere a undelor electromagnetice este în creștere. Acesta este modul în care LEF amplifică radiațiile electromagnetice, folosind energia de electroni rapizi
radiație furaje Cyclic de amplificator de ieșire la intrare sale poate duce la auto-excitare a amplificatorului, transformând-o în generator. In cazul in care un amplificator LEF este convertit la un generator prin intermediul unui rezonator optic - două oglinzi dispuse pe fiecare parte a undulator axa sa longitudinală. unde electromagnetice circulă între oglinzi, amplificând fiecare trecere prin undulator (divergență de difracție a radiației compensare oglinzi concave de des).
Creșterea intensității radiației a generatorului, cu toate acestea, are limitele sale datorate, de exemplu, aproape gruparea completă a electronilor în a doua jumătate a undulator.
instrument de învățare
Pentru Institutul de Fizică Nucleară SB RAS stabilirea acceleratoare de particule este unul dintre subiectele fundamentale și tradiționale, astfel că este un interes puternic în dezvoltarea LEF, în prezența unei baze puternice este destul de ușor de înțeles.
Lucrările privind crearea de lasere cu electroni liberi au fost pornite la institut din 1977, când A. N. Skrinsky și NA Vinokurov O modificare a LEF (clistron optic), crește în mod semnificativ câștigul instrumentului în comparație cu sistemul clasic. La elaborarea noului cu laser cu electroni liberi în INP pentru prima dată în lume, a câștigat un undulator magnet permanent cu amplitudine reglabilă a câmpului magnetic prin schimbarea diferenței de lucru, și există undulator magnet permanent hibrid câțiva ani mai târziu. Ca un decalaj și undulator hibrid de design variabil au devenit acum acceptate și aplicate la toate sursele de radiații sincrotron.
Pus în aplicare în 1988 g. Original, structura undulator de lungime mare în clistron optic pe VEPP-3 sa dovedit a fi atât de mult succes încât în mod repetat, folosit mai târziu în diferite plante interne și externe, și ne-a permis să obțină înregistrări de radiație scurtă (LEF) lungime de undă 0,24 microni în domeniul ultraviolet, și spectrul neobișnuit de îngust (10 -6). De altfel, această înregistrare a durat mai mult de 10 ani.
Pentru o lucrare bună LEF necesită fascicul de electroni de mare energie, cu dimensiuni transversale mici și o răspândire viteză mică. Astfel de grinzi pot fi primite doar în acceleratoare de electroni, care sunt partea cea mai dificilă și costisitoare a instalațiilor de ansamblu FEL. Dimensiunile acceleratorului de electroni moderne pot fi de sute de metri, iar puterea sa - zeci de megawați. Datorită eficienței electronice scăzute LEF de dorit să se recupereze electroni de energie a deșeurilor în sistemul de accelerare. Unitățile sunt două tipuri de acceleratori sunt folosite cu LSE.
Unul dintre ele sunt utilizate pe scară largă în cercetarea științifică de bază, unități electronice. în care electronii se deplasează de-a lungul calea de vice-bici (orbita). Electronul poate rămâne în depozitare timp de mai multe ore (timp de viață este limitată de imprastiere de moleculele gazului rezidual, care este întotdeauna în camera de vid acumulator). Astfel de acceleratori sunt folosite in experimente pe fizica particulelor elementare și pentru a genera razele X.
Atunci când se utilizează unitate cu fascicul de electroni, care a dat o parte din energia din undulator LEF se extinde printr-un accelerator de magneți rotativ și se întoarce în vederea refolosirii FEL. Deoarece interacțiunea cu radiația în undulator unele particule sunt accelerate, iar altele - sunt încetinite, fiecare trecere prin duce la o FEL energetiche-cer fascicul de electroni scatter creștere. Deși pierderea medie de electroni care emit energie este compensată de înaltă frecvență (RF) rezonator cu un câmp electric longitudinal, creșterea răspândirii energetice a particulelor limitează radiația medie putere LEF pe baza mai multor unitate wați.
Pentru a crește puterea radiației LEF în 1978 A. N. Skrinsky și NA Vinokurov a propus utilizarea așa-numitul accelerator-recuperatorul (SD). Prin utilizarea unei astfel accelerator de fascicul de electroni accelerează un câteva cu care se confruntă un alt HF-rezonatoare, o parte din energia sa în undulator LEF apoi decelerat în aceeași rezonatoare RF, revenind energia consumată de accelerare. Aplicarea medie SD permite curenți mari de electroni și reduce substanțial instalarea pericol de radiații.
lasere cu electroni liberi moderne folosind SD genereaza radiatii la o putere medie mai mare de 10 kW. Teoretic posibilitatea de a utiliza fundamentată astfel de sisteme de radiații la o putere medie mai mare de 100 kW
Cel mai important pas în dezvoltarea LEF în Novosibirsk Akademgorodok a fost organizarea Centrului Siberian pentru fotochimic de cercetare la Institutul de Chimie Cinetica și combustie SB RAS, care la începutul anilor nouăzeci a fost condusă de N. academicianul Mo-lin.
Viitoare nu amintesc
Datorită luminozității ridicate de emisie a undulator pentru lung VEPP-3 electronic ar putea transporta serie unică de experimente pentru a studia efectul fluctuațiilor cuantice în mișcarea inelului de stocare a electronilor care circulă. S-a arătat că această mișcare este de natură în cazul în care aceasta a fost cauzată de o forță aleatoare, și este similară cu mișcarea browniană a particulelor mici într-un lichid. Cu toate acestea, cauzele acestor accidente sunt drastic procese diferite.
Traiectoria mișcării browniene nu este cu adevărat întâmplătoare, deoarece cunoașterea vitezele inițiale ale moleculelor de lichid poate fi calculată în principiu și mișcarea moleculelor în sine, și mișcarea particulelor sub pumni. mișcarea browniană „aleatorie“, asociată cu ignoranța noastră a parametrilor microscopice ale sistemului. În cazul mișcării de electroni necesar pentru calcularea parametrilor sunt cunoscute, dar în mod fundamental mișcare imprevizibilă a electronului în acest caz.
Experimentele oferă unul dintre puținele exemple ale unui proces cu adevărat aleatoriu, care, în special, demonstrează imprevizibilitatea fundamentală a viitorului, demonstrând că „Dumnezeu joacă zaruri“
Un an în urmă, am început să lucrez LEF 2 etapa a II. In acest laser a produs radiație coerentă cu lungimi de undă în intervalul de 40-80 microni cu o putere medie maximă în lume - aproximativ 500 de wați. În acest an, LEF două radiații rândul său, devin disponibile pentru oamenii de știință pentru experimente în diverse domenii ale științei.
Generată de instalarea luminii laser printr-un canal cu gaz de azot uscat este livrat la stația de utilizator, în cazul în care acesta este utilizat de către angajații instituțiilor academice și suverani universitare Novosibirsk-guvernamentale pentru cercetare în fizica stării solide, chimie si biologie, inclusiv la nivel nanoscopic. Acum există șase astfel de stații experimentale.
Folosind o radiație submillimeter puternic, cu lungime de undă acordabilă ca un instrument unic de cercetare pentru oamenii de știință deschide fundamental noi oportunități și perspective. De exemplu, angajații trei instituții RAS dezvoltat în comun metoda „ablatie moale“ pentru studiul macromolecule biologice (de exemplu, ADN), folosind puțină energie fotonică radiații submillimeter. energia fotonica este atât de mică încât radiația nu distruge molecula studiată și mai mult - își păstrează activitatea sa biologică.
În viitorul apropiat este planificat să crească și mai mult puterea de radiații de lasere și introducerea pe instalarea LEF a treia etapă de lungimi de undă în domeniul infraroșu apropiat de 5-30 microni. Planurile în acest domeniu interesant și promițător de cunoaștere este întotdeauna o mulțime.
Marshall T. electroni liberi Lasere / trans. din limba engleză. M. Mir, 1987.
Agafonov AV Lebedev AN lasere cu electroni liberi. Cunoașterea M. 1987.
Condiții de utilizare a materialelor
Plățile electronice sunt efectuate prin centrul de procesare PayOnline și servicii ROBOKASSA