Создание лазеров на свободных электронах – мощных источников когерентного электромагнитного излучения – дело сейчас самое модное в физике. О работе совместной группы ученых ФИАН и Национальной Лаборатории Фраскати, Италия (LNF INFN) в этой области рассказал один из участников группы, аспирант ФИАН Евгений Фролов.

Фотоны в лазерах на свободных электронах (ЛСЭ) генерируются когерентно излучающими сгустками электронов. Излучать могут только электроны, двигающиеся с ускорением. Для получения когерентного излучения, которое в просторечии и называется «лазерным», необходимо определенным образом пространственно структурировать поток электронов. В ЛСЭ электроны из электронной пушки попадают в ускоритель, увеличивающий их скорость, а затем в ондулятор– устройство, ответственное за электромагнитное излучение электронов.

Регулировка характеристик пучков ускоренных электронов позволяет менять частоту получаемого излучения в очень широких пределах, от видимого диапазона до рентгеновского (в частности, созданием рентгеновского ЛСЭ в настоящее время и занимаются в ведущих мировых центрах). Прелесть ЛСЭ еще и в том, что интенсивность выходного излучения в них может быть значительно выше, чем в других источниках когерентного излучения. Это просто функция той энергии, которую удается передать электронам, а также количества излучающих электронов.

Одним из способов увеличения интенсивности излучения в рентгеновских ЛСЭ является разбиение исходного пучка электронов на микробанчи (микропучки), что позволит большей части ускоренных электронов когерентно излучать. Эту задачу можно решить разными методами, в частности, в проекте SPARC_LAB COMB, в рамках которого и развиваются методы микробанчевания пучка электронов, исследуется возможность получения модулированного в пространстве пучка ещё до влета в ондулятор или систему ондуляторов.

Рис. 1. Экспериментальная установка SPARC лаборатории SPARC_LAB LNF INFN.

Е. Фролов:

«Еще будучи студентом Томского политехнического университета, я писал дипломную работу, которая выполнялась в LNF INFN в рамках проекта SPARC_LAB COMB под руководством профессора Дабагова. Целью проекта является пространственная модуляция пучка электронов (т.н. «предбанчинг», от англ. «bunching» — «группировка») для повышения интенсивности электромагнитного излучения на выходе из системы ондуляторов. После поступления в аспирантуру ФИАН я продолжил исследования уже в составе объединенной группы ФИАН–LNF INFN».

Одним из методов получения пространственной модуляции или разбиения пучка на микропучки является использование поля лазерной волны вблизи поверхности фотокатода инжектора машины. На практике, катод облучается двумя лазерами, один из которых выбивает электроны, а другой позволяет сформировать стоячую волну, которая и образует периодическую структуру пучка; при этом на систему накладывают ускоряющее поле.

В эксперименте ставилась задача получения отдельных периодических и очень коротких (субпикосекундных, т.е. менее 10−12 секунды) пучков в момент их зарождения.

> «Сегодня исследования проводятся как экспериментально, так и теоретически, причём последние часто основываются на численном эксперименте» – пояснил Е. Фролов.

Компьютерное моделирование поведения пучка в ЛСЭ в ходе эксперимента COMB позволило не только наблюдать ожидаемую перегруппировку частиц в последовательность «микробанчей», но и обнаружить интересные особенности поведения заряженных частиц в полях иной похожей конфигурации.

Е. Фролов:

«Моделирование показало, что электронный пучок разбивается на периодические сгустки или «микробанчи». Далее мы исследовали распространение этого пучка во внешнем ускоряющем поле. Совместно с Диком Алексеем и руководителем нашей работы Султаном Барасбиевичем Дабаговым была построена модель динамики пучка в скрещенном лазерном и ускоряющем электромагнитном полях. Предложенная модель позволяет в больших пределах менять параметры полей, так что моделируемая система на стадии тестирования не всегда соответствовала условиям эксперимента. В одном из таких тестовых расчётов был обнаружен очень интересный режим работы».

Рис. 2. Иллюстрация каналирования в кристалле.

При детальном исследовании модели было показано, что

первоначальный пучок может разделяться комбинированным электромагнитным полем: одна часть пучка может ускоряться, в то время как другая — захватываться потенциальными ямами, сформированными полем системы. На самом деле, в определённом режиме (отличном от параметров действующих экспериментов) в лазерных полях создаются периодические потенциальные барьеры, способные удерживать часть электронов в связанных состояниях (электроны словно вмораживаются в структуру скрещенных лазерных полей). Наблюдаемый эффект похож на эффект каналирования, который наблюдается в кристаллах, когда заряженные частицы движутся под небольшими углами к основным кристаллическим осям или плоскостям, при котором потенциальные барьеры представляют собой усреднённые потенциалы соответствующих осей или плоскостей. Пучки частиц могут быть эффективно отклонены от первоначального направления изогнутыми кристаллическими каналами (кристаллический коллиматор), в то же время каналирующая частица способна излучать в широком диапазоне частот, что может служить источником мощного электромагнитного излучения (излучение при каналировании, кристаллический ондулятор). В свое время физики МГУ указывали на возможность такого поведения релятивистских заряженных частиц в оптических интерферирующих полях, но исследования не получили должного развития.

«В нашем случае подобные каналы формируются вне твёрдого тела, так что все эффекты неупругого рассеяния будут подавлены, что делает предложенную схему интересной для дальнейшего исследования. Обнаруженное явление интересно и тем, что электроны не разлетаются под воздействием взаимодействия между собой. Например, если лазерную волну организовать не скрещенными полями в пространстве, а внутри волноведущей структуры, то можно добиться коллимации пучка, удерживающей пучок в центре пучковода, что важно для эффективной транспортировки пучка, его фокусировки и т. д.

На наш взгляд, данный метод управления пучками может найти применение наподобие кристаллических коллиматоров, использование которых планируется в новейших накопительных кольцах (например, LHC)» – отметил в заключение Е. Фролов.

Рис. 3. Иллюстрация каналирования электронов в поле ускоряющего элетростатического поля и стоячей электромагнитной волны.