Ускорители частиц и коллайдеры: в чем разница?
В современной научной литературе и СМИ мы часто можем встретить упоминания о коллайдерах, ускорителях и установках со встречными пучками. Но в чем же разница между этими типами установок и для каких задач они создаются?
Ускорители частиц и их история
История ускорителей заряженных частиц берет начало еще в начале XX века, когда ученый Эрнест Резерфорд проводил эксперименты с альфа-частицами. Он сформулировал планетарную модель атома и предположил, что ускорители частиц могут помочь изучать материю в мельчайшем масштабе.
Устройство ускорителей частиц
Ускорители создаются для ускорения заряженных частиц, таких как протоны, ионы, электроны. Эти установки предназначены для исследования физики микромира. Первоначально, эксперименты проводились по схеме, где пучок частиц выводился из ускорителя и сталкивался с неподвижной мишенью для изучения реакций.
Коллайдеры: новый подход к исследованиям
В 1943 году норвежский инженер Рольф Видероэ предложил новую схему, основанную на встречных пучках частиц. Он предложил использовать коллайдеры для проведения исследований в области физики элементарных частиц. Это новаторское решение позволило значительно увеличить энергию столкновения частиц и изучать процессы, не доступные в традиционных ускорителях.
Современные достижения
Сегодня термин коллайдер стал более употребимым, особенно после успехов Большого адронного коллайдера в CERN. Различия между ускорителями и коллайдерами определяются спецификой их устройства и задачами, которые они ставят перед собой в сфере физики элементарных частиц.
Применение ускоренных частиц в прикладной науке
Постепенно стало ясно, что ускоренные пучки заряженных частиц можно использовать не только для целей фундаментальной физики, но и для многочисленных прикладных применений. Например, протонные и ионные синхротроны эффективно лечат злокачественные опухоли.
А так называемые имплантеры, маленькие ионные ускорители, придают полупроводникам нужные свойства. Если бы в прошлом веке не появились ускорители, то не было бы и микрочипов, которые сейчас установлены в каждом телефоне, телевизоре, компьютере.
С помощью небольших ускорителей электронов облучают, например, изоляцию кабелей. При этом она становится более термостойкой и прочной. Эти кабели используют при создании самолетов, ракет, подводных лодок и другой подобной техники.
Исследования с использованием синхротронного излучения
При работе с первыми циклическими ускорителями ученые обнаружили интересное явление. Когда легкие частицы (электроны и позитроны) движутся по круговой орбите, наблюдается излучение по касательной к их движению. Его назвали синхротронным излучением, потому что оно впервые наблюдалось именно в синхротронах.
Как оказалось, ряд уникальных свойств синхротронного излучения делают его мощным инструментом для исследований в самых разных областях науки и техники.
Проблемы с потерей энергии
— А правда ли, что синхротронное излучение изначально называли паразитным?
Исходно оно рассматривалось как вредное, поскольку синхротронное излучение действительно уносит энергию от ускоренного пучка электронов. Из-за этого энергию пучка необходимо все время возобновлять с помощью системы ускоряющих резонаторов, которые должны были восполнять потерянную энергию.
Однако паразитным, как правило, называли режим работы с синхротронным излучением по остаточному принципу на первых ускорителях, приоритетом которых была физика частиц.
Линейные коллайдеры как альтернатива
— Удалось ли решить эту проблему потери энергии в настоящее время?
Нет. Принцип работы никак не изменился. На установки ставятся высокочастотные резонаторы, которые ускоряют частицы. Однако возросшая мощность синхротронного излучения создает преграды для строительства кольцевых ускорителей электронов и позитронов больших размеров.
Поэтому в 70-х годах прошлого века в Институте ядерной физики появился первый проект линейного электрон-позитронного коллайдера ВЛЭПП (встречные линейные электрон-позитронные пучки). Сегодня в мире только два проекта линейных коллайдеров: один в Японии (Международный линейный коллайдер), второй в ЦЕРНе, который называется Компактный линейный коллайдер. Но, несмотря на название, длина установки составляет около 30 км.
Новые технологии в науке: создание установок для физических экспериментов
Являются ли физики-теоретики заказчиками при создании физических установок?
Обычно физики-теоретики ставят задачи и требования к установкам, но инженеры играют ключевую роль в понимании, какие элементы и характеристики нужны для достижения поставленных целей.
Процесс создания новых ускорителей: метод последовательных приближений
Каждая новая установка строится для уникальных задач и экспериментов, что делает ее рекордной по определенным параметрам. В процессе создания нового ускорителя принимают участие физики-теоретики, физики-экспериментаторы и физики-ускорительщики.
Установка СКИФ и ее значение для современной физики
Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) является многофункциональной установкой, которая не только открывает новые возможности для физики, но также привлекает внимание других областей науки, таких как химия, биология, геология и археология. СКИФ обладает рекордными параметрами, что делает его уникальной платформой для проведения современных экспериментов.
Уровень яркости источника синхротронного излучения установки СКИФ
В установке СКИФ удалось достичь самого высокого уровня яркости по сравнению с другими источниками синхротронного излучения. Это открывает новые возможности для проведения уникальных экспериментов и разработки экспериментального оборудования, поддерживающего уникальные свойства установки.
Эволюция поколений источников синхротронного излучения
Концепция поколений в физике источников синхротронного излучения позволяет оценить уровень эффективности работы установки. Создание источника синхротронного излучения нового поколения, такого как СКИФ, существенно увеличивает возможности и эффективность проведения физических экспериментов.
Подготовлено профессиональным SEO-копирайтером.
Синхротронное излучение: перспективы развития
Постепенно научное сообщество осознало, что эксперименты с синхротронным излучением тоже очень интересны и могут реализовываться в самых разных науках. Так появилось второе поколение — установки, созданные только для экспериментов с синхротронным излучением. Далее возникли еще более продвинутые машины — третье поколение. Сегодня они составляют максимальное число. В мире работают около 30 таких установок. За прошедшие два-три десятилетия именно они дали максимальные результаты. В частности, ряд Нобелевских премий получены за эксперименты с использованием синхротронного излучения.
К сожалению, в России отсутствуют подобные установки третьего поколения. Ускорители первого и второго поколений у нас были и есть, но когда весь мир начал строить источники третьего поколения, в нашей стране произошла перестройка и стало сразу не до источников. То есть этот период мы пропустили.
Создание СКИФ
К счастью, совсем недавно в России появилась возможность тратить довольно большие деньги на серьезную научную инфраструктуру, поэтому мы смогли приступить к созданию СКИФ, синхротрона четвертого поколения.
Почему мы говорим о поколении 4+? Дело в том, что существуют некие физические фундаментальные ограничения на увеличение яркости. В СКИФ они уже достигаются. Для дальнейшего развития нужны новые идеи, которых сейчас нет. Поэтому мы говорим о поколении 4+ как об источнике, достигшем предела по фазовому объему электронного пучка, в частности по яркости в определенном, оптимальном для исследователей диапазоне длин волн.
Конкуренты и перспективы
— Есть ли аналоги подобной установки в мире или планы у других стран на строительство?
— Да, есть. На самом деле сейчас в мире есть три источника синхротронного излучения четвертого поколения. Это установка MAX IV в Лундском университете Швеции; Европейский источник синхротронного излучения (ESRF) во французском Гренобле; третья — Sirius — в Бразилии. И вскоре к ним присоединится СКИФ. Для сравнения: у первенца MAX IV проектный эммитанс (фазовый объем источника) был равен 320 пм (пикометров), а у нашей установки — 75 пм. Чем меньше эммитанс, тем большую яркость излучения можно получить при прочих равных условиях.
На самом деле, используя в том числе достижения всего мира, мы смогли сделать такой большой проект за несколько лет. Мы говорим о рекордных параметрах, но и это не предел. Прогресс не остановить. Возможно, совсем скоро появятся и другие масштабные проекты, в том числе использующие наш опыт. Время покажет.
Успешный запуск
— В октябре 2022 г. стало известно, что состоялся запуск первой очереди линейного ускорителя, собрана инжекционная часть и проведены ее испытания. Насколько успешными они были?
— Отмечу, что изготовление ускорительной части источника синхротронного излучения регулируется контрактами, которые подписаны с Институтом ядерной физики СО РАН. В рамках проекта создаются также и экспериментальные станции, но в их подготовке участвуют другие институты и организации.
Прямо сейчас идет активная работа по изготовлению магнитной системы и вакуумных камер ускорителей. И одно из ключевых мест ускорителя — это, собственно, инжектор, устройство, в котором производятся первые электроны, первый электронный пучок, который затем ускоряется.
Ясно, что ускорить пучок сразу до энергии в 3 млрд эВ довольно тяжело. Поэтому мы используем каскадную схему инжекции, когда несколько установок ускоряют пучок до конечной величины. В нашем случае это линейный ускоритель с энергией 200 МэВ. Затем пучок из линейного ускорителя инжектируется в бустерный, или промежуточный, синхротрон, который ускоряет пучок электронов уже до 3 ГэВ. На всем этом ускорительном пути, пожалуй, самый тяжелый участок — это первые метры. На электроны с низкой энергией могут влиять самые разные возмущающие факторы — например, магнитное поле Земли или металлические, стальные конструкции, расположенные недалеко от пучка. Поэтому перед командой стоит сложная задача: правильно скомпоновать и спроектировать первую часть ускорителя, где электроны становятся релятивистскими, то есть частицами со скоростью, близкой к скорости света.
Не дожидаясь, пока будут готовы здания для СКИФ, мы решили сами сделать у себя в Институте ядерной физики первую часть линейного ускорителя. Она состоит из источника электронов, который мы называем «электронная пушка», и некоторых других составных частей. В октябре была запущена самая первая часть ускорителя — порядка 1,5 м. Нам удалось ускорить электроны до энергии примерно в 1 МэВ и разогнать их до релятивистской скорости, когда сами электроны уже меньше «боятся» возмущающих факторов. Мы измерили все параметры, они оказались хорошими. То есть параметры пучка соответствуют проектным.
Мы столкнулись и с негативным влиянием санкций. Часть оборудования, которую мы планировали закупить у иностранных компаний, пришлось в короткие сроки создавать самим силами коллектива ИЯФ. Например, наши инженеры разработали хороший модулятор (источник высоковольтных очень коротких импульсов) с отличными параметрами. На мой взгляд, это весомый шаг. Поэтому на данном этапе мы уже получаем пучок с требуемыми параметрами. Пока все идет по плану.
— Когда следует ожидать завершения строительства и запуска установки?
— По плану в конце 2023 г. должна быть готова существенная часть инжектора, который включает линейный ускоритель и бустерный синхротрон. На этом этапе ученые смогут работать уже непосредственно с пучком в наукограде Кольцове (где строится СКИФ), если строители успеют построить соответствующие здания. А в конце 2024 г. мы планируем приступить к пусконаладке всего комплекса в целом и начать работу с пучками синхротронного излучения, постепенно создавая экспериментальные станции.
На стройке сейчас завершен подготовительный период. Идет этап рабочего проектирования.
— Сколько экспериментальных станций планируется создать в Центре коллективного пользования?
— На первом этапе запланированы шесть экспериментальных станций. Но в целом может быть до 46 различных каналов вывода синхротронного излучения. По опыту можно сказать, что на таком хорошем, продвинутом источнике синхротронного излучения за год может проходить до 2 тыс. исследователей. Центр коллективного пользования будет предоставлять время на каналах вывода синхротронного излучения бесплатно по заявкам от научных групп и институтов. Главное, чтобы результаты исследований или экспериментов с использованием установки были опубликованы в научном журнале.
— Коллеги из других институтов интересуются этапами строительства?
— Да, конечно. У нас очень богатые связи со многими организациями в России. Это и институты, уже имеющие опыт сотрудничества благодаря совместной работе в Сибирском центре синхротронного и терагерцевого излучения. Поэтому они хотят продолжать свои исследования. Многие из них участвуют и в создании экспериментальных станций, оснащенных тем оборудованием, которое им в будущем понадобится.
Важный фактор, о котором следует упомянуть, связан с подготовкой кадров. Для работы такого крупного передового комплекса необходимо множество специалистов, которых пока нет. Конечно, уже существуют программы подготовки. Они есть и в Новосибирском государственном университете, и в Новосибирском государственном техническом университете. Нам помогает и Томский государственный университет, где хотят начать подготовку кадров специально для нужд СКИФ. Прямо сейчас мы рассчитываем на скорейшее вхождение выпускников вузов в развитие проекта.
Схема объектов комплекса СКИФ ЦКП «СКИФ»
После запуска инжектора мы планируем его больше не останавливать, чтобы молодая команда СКИФ проходила на нем обучение и осваивала современное оборудование, часть из которого — уникальное. Поэтому одновременно с обучением необходимо внедрять практику на реальной установке, чтобы к моменту запуска всего большого и сложного комплекса у нас был достаточный штат для работы. Это очень важно, поскольку иначе мы можем получить хорошее работающее «железо», но не будет никого, кто сможет его эксплуатировать.
Евгений Борисович Левичев — доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН и директор ЦКП «СКИФ».
А теперь последний этап: мы заглянем вглубь процесса коллапса пузырька, туда, откуда идет световая вспышка.
При резком сжатии газового пузырька растет температура заключенного в нём газа. Но тут есть и дополнительная тонкость. Высокое давление в центре ультразвуковой волны не просто сжимает пузырек, а ускоряет его сжатие. В результате в самые последние мгновения коллапса размер уменьшается всё быстрее и быстрее — и в какой-то момент сжатие становится сверхзвуковым. Внутри пузырька появляется ударная волна, фронт которой проходит сквозь газ внутри пузырька дважды — один раз, когда ударная волна схлопывается, а второй раз, когда она, отскочив от центра, расходится. В оба раза вещество сжимается ударным способом — и каждый раз нагревается еще сильнее.
Длительность этого последнего этапа можно оценить по формуле равномерного движения: скорость ударной волны в сжатом газе — порядка км/сек, размер сжатого пузырька — порядка микрона, поэтому типичное время получается около наносекунды. На рисунке хорошо видно, что в последние наносекунды коллапса скорость сжатия пузырька действительно резко увеличилась. Это именно тот момент, когда в дело вступили ударные волны.
В этот критически важный промежуток времени и умещаются все ключевые явления, приводящие к сонолюминесценции: стадия максимального нагрева — до тысяч и даже десятков тысяч градусов! — и яркая вспышка сонолюминесцентного света. Заканчивается вспышка, когда сжатие сменяется на расширение, и плазма начинает остывать.
Длительность самой вспышки тоже можно измерить экспериментально, а также промоделировать теоретически. Оба метода показали, что свечение длится сотни пикосекунд — это как раз тот временной интервал, в течение которого пузырек застывает в своей сверхгорячей фазе перед тем, как начать расширяться с околозвуковой скоростью.
Сонолюминесценция в одном эффекте умудряется объединить очень разные временные масштабы: микросекунды (период колебаний пузырька), наносекунды (стадия коллапса), и пикосекунды (свечение). Познакомившись со всеми этими временами, мы теперь можем взглянуть на это явление под новым углом:
сонолюминесценция — это результат резкой концентрации энергии, как на временных, так и в пространственных масштабах.
Энергия звуковой волны, накопленная за несколько микросекунд на масштабе в миллиметры, конвертируется в очень высокие температуры на временах порядка наносекунд в микроскопическом объеме.
Запрос «БАК» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Large Hadron Collider
Фрагмент LHC, сектор 3-4
Годы работы 2008 — н. в.
Эксперименты ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM, LHCf, MoEDAL
Периметр/длина 26 659 м
Медиафайлы на Викискладе
История и планы
27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК
Руководитель проекта — Линдон Эванс.
Испытания и эксплуатация
Практически целиком 2013—2014 годы заняла модернизация коллайдера, в ходе которой столкновения не проводились.
Ехническая пауза (LS2)
Этот раздел имеет чрезмерный объём или содержит маловажные подробности неэнциклопедичного характера.
Если вы не согласны с этим, пожалуйста, покажите в тексте существенность излагаемого материала. В противном случае раздел может быть удалён. Подробности могут быть на странице обсуждения.
Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела.
Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон.
Задачи и результаты
Диаграммы Фейнмана, показывающие возможные варианты рождения W- и Z-бозонов, которые в совокупности образуют нейтральный бозон Хиггса.
Моделирование процесса рождения бозона Хиггса в детекторе CMS.
Изучение кварк-глюонной плазмы
Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.
Несмотря на безуспешный итог поиска указанных объектов, были получены более строгие ограничения на минимально возможную массу каждого из них. По мере накопления статистики, ограничения на минимальную массу перечисленных объектов становятся жёстче.
Конструкция, компоненты и характеристики
Карта с нанесённым на неё расположением Коллайдера.
Схема ускорительного кольца БАК с обозначением октантов, основных детекторов, предускорителей и ускорителей. Детекторы TOTEM и LHCf, отсутствующие на схеме, находятся рядом с детекторами CMS и ATLAS соответственно.
Ускорение частиц в коллайдере
Подземный зал, в котором смонтирован детектор ATLAS (октябрь 2004 года). Детектор ATLAS в процессе сборки (февраль 2006 года). Детектор CMS.
На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:
ATLAS, CMS, ALICE, LHCb — большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.
Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.
Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт•ч, из которых 700 ГВт•ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от общего годового энергопотребления кантона Женева. Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.
Отражение в искусстве
Название нашей лаборатории связано с ключевой тематикой — исследование плазмы, в которой электроны релятивистские, то есть их энергия существенно превышает энергию покоя. Для того, чтобы получить такую плазму, мы фокусируем фемтосекундный* лазерный импульс на мишень до интенсивности свыше 10^18 Ватт на кв. см (такая интенсивность называется релятивисткой, поскольку в этом случае амплитуда осцилляций кинетической энергии электрона во внешнем электромагнитном поле, то есть mv^2/2, сравнима с энергией покоя или превышает ее). Максимальная достигнутая интенсивность в одной из лабораторий за рубежом превышает релятивистскую почти на пять порядков, и в этом смысле у нас интенсивности сравнительно небольшие, всего лишь на порядок больше релятивистской, однако этого уже достаточно для получения совершенно новых эффектов.
Тераваттный фемтосекундный лазерный комплекс (к. 309 Корпуса нелинейной оптики)
В этой чистой комнате располагается тераваттный фемтосекундный лазер с энергией импульса до 200–300 мДж при длительности 50 фс. Все проводимые нами эксперименты используют это излучение.
Фемтосекундный лазерный комплекс. Излучение из кристалла сапфира с ионами титана
Исходно эта установка была закуплена 15 лет назад, но от того, что куплено, ничего уже не осталось – мы полностью все переделали: увеличили в несколько раз энергию импульса, существенно улучшили так называемый контраст импульса (избавились от паразитного излучения большей длительности), повысили стабильность параметров почти на порядок. В итоге, без лишней скромности, наша установка – фактически единственная в РФ установка такого рода, стабильно уже более 10 лет производящая «научную продукцию» в виде публикаций в ведущих журналах, диссертаций, дипломов и так далее. Одних кандидатских диссертаций у нас защищено более 10.
Про направления исследований
В лаборатории у нас несколько направлений исследований. Все они в первую очередь экспериментальные, однако мы проводим и расчетно-теоретические исследования по всем нашим задачам.
Силовое взаимодействие с мишенями Мы изучаем релятивистское взаимодействие лазерного излучения с различными мишенями и ускорение частиц, а также разнообразные вторичные процессы, связанные с этим. Основная задача – оптимизация режима взаимодействия для получения источников вторичного излучения и частиц самого разного рода. В первую очередь это получение пучков ускоренных релятивистских электронов. Энергии, которые мы здесь получаем, выше 10 МэВ, то есть 20 энергий покоя электрона и больше. Получаются пучки электронов с достаточно хорошей направленностью и большим зарядом. Интересно, что такую энергию мы получаем на длине ускорения порядка 100 мкм. Для сравнения обычный линейный ускоритель для этого должен иметь длину около метра.
Лазерное ускорение частиц в плазме является одной из ключевых тематик не только в нашей лаборатории, но и в мировой науке. Сейчас рекордные значения — это 8 ГэВ на длине в 20 см, что на линейных ускорителях достижимо при их длине несколько сотен метров. В перспективе речь идет уже о ТэВ лазерно-плазменных ускорителях длиной 100 м. Но наша задача немного другая – создать эффективный лабораторный ускоритель на энергии от 5 МэВ и выше для исследований в ядерной фотонике, радиографии, наработке изотопов и многих других областях. Важным моментом здесь является также возможность работать на высоких частотах следования импульсов (до нескольких килогерц), и часть наших проектов как раз направлена на разработку подходов, работоспособных на таких частотах следования.
Пример задачи в этом направлении — мы диагностируем спектр наших электронов, подставляя разные мишени, и за счёт фотоядерных процессов наблюдаем вылет нейтронов. Такая тематика интересна и сама по себе, называется она ядерной фотоникой. Это новая область науки, по ней можно посмотреть обзор в журнале «Успехи физических наук» за 2021 год. Одна из задач ядерной фотоники – исследование ядерных процессов, индуцируемых лазером.
Ускорители электронов (комната 308).
Лазерное излучение тераваттной мощности нельзя передать даже по воздуху без существенного искажения его характеристик вследствие нелинейности воздуха (об этом чуть позже). Поэтому излучение из комнаты, где стоит лазерный комплекс, приходит в смежную комнату по воздуху в виде импульса значительно большей, субнаносекундной длительности (это позволяет снизить пиковую мощность и уменьшить влияние нелинейности), а затем сжимается до 50 фс в специальном устройстве – вакуумном компрессоре. Из компрессора сжатый импульс поступает по вакуумной трубе в камеру взаимодействия.
Камера взаимодействия внутри
Каждый эксперимент по силовому воздействию на вещество требует широкого спектра методик – оптических, рентгеновских, корпускулярных. Поэтому все камеры взаимодействия (а их у нас три, размером до 1.5 м в диаметре) оснащены комплексной диагностикой. В этих камерах идут эксперименты по твердотельным, наноструктурированным, жидкостным, капельным, газовым и кластерным мишеням. Спецификой наших экспериментов является то, что мы, как правило, сначала подготавливаем плазму в нужном нам состоянии с помощью наносекундного лазерного импульса, а уже затем облучаем мощным фемтосекундным. Например, проводятся эксперименты по формированию из микрокапель облачка с нужной плотностью, либо плотного «блинчика», либо формирования плазменного пузыря из микрокапли.
Плазменный пузырь, сформированный из микрокапли воды наносекундным лазерным импульсом
Почему электроны разгоняются именно в плазме?
Это принципиальный момент — в вакууме нельзя получить ускоренный лазерным излучением электронный пучок, а в плазме можно. В плазме возбуждаются плазменные волны – продольные колебания электронной плотности, которые способны захватывать электроны и ускорять их до скоростей, близких к скорости распространения лазерного импульса в плазме. Преимущество плазмы также в том, что плазму, в отличие от любой среды и даже глубокого вакуума, нельзя пробить. Из-за этого темп ускорения можно сделать чудовищно большим, на несколько порядков большим, чем в линейном ускорителе.
Работает это, например, так: есть газовая струя, мы фокусируем в нее лазерное излучение, оно создает плазму, и оно же ускоряет электроны, а дальше мы их можем использовать: генерировать гамма-излучение, нейтроны и так далее. Пример такого процесса показан на анимации ниже.
Анимацию вы можете посмотреть в статье Telegraph.
Одни из наиболее перспективных эффектов, связанных с ускорением электронного пучка в плазме, является генерация терагерцового излучения при пересечении им границы плазма-вакуум. Оказывается, что когда электронный пучок пересекает любую границу раздела (скачок показателя преломления), то возникает так называемое переходное излучение. Это явление объясняется так: когда электрон пролетает границу раздела, он наводит потенциал, который потом «выплескивается». При этом такой релятивистский электронный пучок генерирует переходное излучение именно в терагерцовом диапазоне.
Это явление интересно по двум причинам. Во-первых, удается получать огромные напряженности поля, гораздо большие, чем, например, при оптическом выпрямлении в органических кристаллах. Во-вторых, здесь нет принципиального ограничения по энергии лазерного импульса. Все существующие сейчас терагерцовые источники на основе фемтосекундных лазеров принципиально ограничены по мощности и интенсивности, потому что нельзя допускать пробоя преобразователя. А здесь нам не приходится об этом думать — у нас уже зарегистрированы поля напряженностью порядка 10–20 МВ/см. Для сравнения, обычный кремний пробивается статическим полем напряженностью 1 МВ/см.
Здесь интерес в том, чтобы смотреть на взаимодействие таких уже терагерцовых импульсов с твердым телом, потому что возникающее электромагнитное поле нельзя назвать ни переменным, ни постоянным. Такое поле стоит назвать квазипостоянным. С точки зрения диффузии электронов в полупроводнике это постоянное поле, но с точки зрения образования электронной лавины это переменное поле, то есть лавина образоваться не успевает.
Ещё одна интересная особенность этого излучения — оно является квазиуниполярным импульсом. То есть это не осциллирующее поле, а, по сути, один выброс. У него, конечно, есть отрицательный хвост, но он очень маленький. Интеграл этого поля по времени будет равен нулю, но положительный выброс будет в 10 раз больше по амплитуде.
Применение в медицине
Ещё у нас есть идеи, как развиваемые нами подходы внедрить в медицину. Например, мы реализовали источник рентгеновского излучения, позволяющий получать изображения микрообъектов с помощью метода рефракционного контраста. На рисунке – фотография комара, полученная за 100 лазерных импульсов.
Фазоконтрастное рентгеновское изображение комара, полученное за 100 лазерных импульсов
В медицине также интересно использовать терагерцовое излучение, ионы и электроны для терапии. Специфика там такая: рентгеновское излучение поглощается в материале по закону Бугера, то есть он выжигает только поверхность, а воздействовать на что-то в объеме уже не получается.
А если, допустим, взять протон с энергией 200 МэВ, то он сначала пролетает 1 см, а потом почти всю энергию мгновенно отдает. То есть за счет неупругого рассеяния он сначала теряет энергию, а потом приближается к ядерному резонансу. Таким образом, регулируя начальную энергию, можно локализовать область действия излучения. Это может сработать для мозга и более тонких мест.
Если же взять электроны с не очень широким спектром, примерно 10% от их энергии, то для них Бугеровский закон поглощения также выполняться не будет, поэтому можно выжигать на некоторой глубине, хотя эта глубина и гораздо меньше, чем у протонов. Но здесь оказывается важным так называемый «flash эффект» — мгновенное воздействие большого числа ионизирующих частиц. Именно с точки зрения наших задач важно, что клетка получает множественный повреждения. «Множественные» означает, что в клетку за короткое время должен попасть не один электрон, а много, поэтому импульс должен быть коротким, а электронов в нём должно быть много. Тогда идёт резкая деградация, а иначе клетка пытается восстановиться. Лазерные методы как раз дают эти подходящие пучки электронов.
Все, что в этой комнате, вы делаете сами?
Да, почти все в лаборатории сделано нами. Вакуумные камеры, понятно, покупаются, но изготавливаются они по нашим чертежам. А всю диагностику: ионный, рентгеновский, гамма- и электронный спектрометры, мы делаем сами. Конечно, к этому добавляется закупка измерительных приборов, видеокамер, детекторов, спектрометров и так далее. Еще один важный момент — весь эксперимент автоматизирован, даже в вакууме все управляется дистанционно. И вся эта система автоматизации, контроля, управления и сбора данных создана в нашей лаборатории.
Распределительно-коммутационный щиток управления экспериментом
Есть ли какая-то опасность при работе в лаборатории?
Физика вообще небезопасная штука. Некоторые из нас наблюдали генерацию второй гармоники лазерного излучения у себя в глазу. Но это те, кто не соблюдал технику безопасности. В целом эти эксперименты идут в вакуумных бочках. Но если есть пучок электронов с энергией в 10 МэВ, то, конечно, есть и рентгеновское излучение, и гамма-излучение, и нейтроны. Но их средний поток очень мал, намного ниже естественного фона. Тем не менее, когда установка работает, в комнате никого нет, вся юстировка эксперимента идет онлайн. Для этого у нас есть аппаратная комната, из которой идёт управление экспериментом.
Комната удаленного управления экспериментом
Используете ли вы расчеты в работе?
Вся экспериментальная деятельность, естественно, невозможна без расчетов. Для решения некоторых задач мы взаимодействуем с теоретиками, но по задаче с плазмой все делаем сами.
Мы стараемся, чтобы студенты одновременно занимались экспериментом и расчетами. Расчеты делаем методом «частиц в ячейке» — это моделирование на готовом пакете. Проще говоря, метод состоит в следующем: у вас есть миллион заряженных частиц, на них налетает электромагнитная волна и они начинают двигаться. Вы можете посмотреть, какие там получатся поля и куда частицы будут двигаться в любой момент времени. Однако специфика этого моделирования в том, что оно не дает никаких ответов на вопросы — в этом подходе физика остается за кадром.
Огромный пласт работы — это научиться анализировать движение частиц, поля и другие данные, чтобы добраться до физики процесса. Это мы делаем сами, с помощью, например, программ на Python. У нас в подсобке стоит небольшой сервер, на котором мы проводим расчеты.
Про исследование филаментации
Вторая область работы, которой мы занимаемся, связана с распространением мощного излучения в газах и воздухе. Если пиковая мощность излучения (т.е. энергия импульса, отнесенная к его длительности) превосходит определённую величину, называемую критической мощностью самофокусировки, то происходит схлопывание пучка в тонкий световой канал или филамент*. Таким образом, даже воздух оказывается нелинейной оптической средой и обычные законы распространения света (в том числе, вытекающие из привычных и известных линейных уравнений Максвелла) уже несправедливы. Естественно, такого режима легче всего достичь, уменьшая длительность лазерного импульса.
Филаменты могут иметь очень большую длину, вплоть до сотен метров, в зависимости от превышения мощности над критической. Поэтому, хотя для исследований филаментации у нас есть стенд вдоль длинной стены лаборатории, сейчас мы «пускаем» филамент на всю длину коридора нашего корпуса. Мы часто показываем этот эксперимент на днях открытых дверей, днях науки и других мероприятиях. Вследствие нелинейности исходно узкий спектр лазерного импульса на длине волны 800 нм претерпевает катастрофическое уширение (свыше октавы) и покрывает весь видимый диапазон и часть инфракрасного. Ниже приведена фотография лазерного пучка в конце коридора, демонстрирующая такое уширение.
Фотография пучка излучения пиковой мощностью 1 ТВт после прохождения 40 м воздуха
Еще у нас есть такая фишка: мы пытаемся ввести амплитудную или фазовую модуляцию в поперечную структуру пучка, чтобы получить массив филаментов, который можно использовать как волноводный канал для другого излучения, например, того же терагерцового. Кроме того, такая модуляция позволяет стабилизировать филамент и его параметры. Для диагностики массивов филаментов нами разработан уникальный акустический невозмущающий метод измерения параметров (поперечной структуры, плотности поглощенной энергии и др.).
По этому направлению исследований теорией и расчетами мы занимаемся меньше, поскольку тесно сотрудничаем с группой профессора О.Г. Косаревой, давно и успешно проводящей теоретико-расчетные исследования филаментации.
Гранты и НЦФМ
Существование нашей лаборатории невозможно без существенного финансирования и развития материально-технической базы. Мы находим поддержку как у Российского научного фонда (в настоящий момент у нас 3 проекта, причем два из них – молодежные, получены молодыми сотрудниками, бывшими аспирантами нашей лаборатории и еще два совместных с другими лабораториями), участвуем в проектах Минобрнауки, а также активно включены в научную программу Национального центра физики и математики (НЦФМ) в г. Сарове.
НЦФМ — это новый всероссийский мощный проект, научным руководителем которого является Сергеев Александр Михайлович, предыдущий президент РАН. Наше активное взаимодействие с этим новым образованием ещё связано с тем, что я заведую кафедрой физики в филиале МГУ в Сарове, ключевой образовательной структуры и кузницы кадров для НЦФМ, поэтому есть возможность обсуждать с сотрудниками НЦФМ то, что им интересно, активно предлагать наши идеи и разработки.
Одной из первых установок, создаваемых в НЦФМ, является мощный фемтосекундный лазер «Мультитерра», существенно превосходящий наш лазер в МГУ, в первую очередь по пиковой мощности. Мы активно вошли в эту тематику, более того, наша идеология генерации униполярных терагерцовых импульсов — одна из первоочередных задач строящейся установки. В НЦФМ будут строиться установки класса мегасайенс: супермощный лазер XCELS, генератор гамма- и рентгеновского излучений ИНОК, не имеющие мировых аналогов, и мы активно участвуем в обеих коллаборациях. Это позволит в перспективе выйти на совершенно уникальные задачи.