Ученые из Сколковского института науки и технологий, Исследовательского Института в Москве и университета штата Мичиган придумали новый метод cоздания более интенсивного рентгеновского и гамма-излучения на основе эффекта Комптона. Результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters, изобретение находится в процессе международного патентования.

Эффект Комптона похож на игру в теннис. Роль ракетки выполняет электрон, а роль мячика — фотон. Фотон при отражении от быстрой ракетки-электрона приобретает дополнительную энергию. Лететь быстрее фотон уже не может — мешает ограничение на скорость света, а вот поменять длину волны — запросто. С помощью этой игры можно преобразовывать длину волны фотона из видимого диапазона в рентген и в гамма-излучение.

Источники рентгеновского и гамма-диапазона на обратном (линейном) эффекте Комптона широко распространены по всему миру и обычно состоят из ускорителя электронов и лазерной системы. Основным преимуществом таких источников является генерация тонкой линии излучения, длину волны которой можно легко менять с помощью изменения энергии электронов.

Самым известным способом увеличения количества генерируемых рентгеновских фотонов является увеличение интенсивности лазерной системы. Чем компактнее будет сконцентрирован в пространстве лазерный пучок, тем больше будет столкновений лазерных фотонов с электронами. Это давно известно, равно как и то, что увеличение мощности лазерного излучения приводит к значительному расширению спектра излучения — «размыванию» фотонов по разным энергиям, которое вызвано неравномерностью светового давления.

Команда ученых придумала новый метод создания интенсивного моноэнергетического рентгеновского и гамма излучения на основе нелинейного обратного эффекта Комптона.

«Мы предложили очень простой способ убрать паразитное уширение комптоновской линии излучения для мощных лазерных импульсов и значительно увеличить выход рентгеновских и гамма-фотонов. Для этого необходимо в каждый момент времени аккуратно подстраивать частоту лазерного импульса под текущее значение интенсивности, то есть «чирпировать» импульс. Для достижения оптимального эффекта мы предложили использовать два линейно и противоположно чирпированных лазерных импульса, бегущих на определенном расстоянии друг от друга. На мой взгляд, красота нашей работы — в ее простоте. Если честно, мы были очень удивлены, насколько все просто и гладко получается, пришлось перепроверять несколько раз — не верили», — рассказал один из авторов работы, профессор центра Сколтеха по научным и инженерным технологиям для задач с большими массивами данных Сергей Рыкованов.

Новое изобретение может существенно увеличить яркость современных и будущих синхротронных источников для исследований в медицине, ядерной физике и материаловедении.