Более жесткое излучение более остро направлено. Получается так, если вы смотрите на него: в центре рентген, потом ультрафиолет, синий и на краях - красный.
Это позволяет отделить в эксперименте жесткую часть излучения от мягкой. И на самом деле такие угловые и спектральные характеристики делают источник уникальным.
А вот этот график получил наш коллега Олег Куликов, рано погибший - помимо того, что он был очень хорошим физиком, он был и альпинистом. Куликов экспериментально получил такие поляризационные характеристики. Он показал, что в плоскости орбиты почти 98% линейной поляризации. А если мы уходим от плоскости орбиты, появляется другая компонента, с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости орбиты. Получается круговая поляризация. То есть по поляризационным характеристикам получается совершенно уникальный источник, потому что материалов, которые здесь можно использовать для поляризации, нет. Природа сама дала источник с такими характеристиками, при которых можно получить линейную поляризацию, круговую, в промежуточных точках - элиптическую. Кстати, как раз поляризационные характеристики позволили доказать, что из Крабовидной туманности к нам приходит синхротронное излучение.
А.Г. Вы сказали, что природа дала источник, но дала его странным образом - после того как технология была готова, чтобы этот источник разглядеть. А наблюдательные данные подтверждает то, что есть и в природе.
В.Х. Я хочу здесь пару слов сказать. Я не знаю, насколько подготовлена наша аудитория… Один ГэВ - это энергия, которая в две тысячи раз больше, чем энергия покоя электрона, то есть энергия электрона, который движется с очень маленькой скоростью. Я для порядка скажу еще, что энергия покоя электрона приблизительно равна 0.5 МэВ, отсюда получаем 1000 МэВ или 1 ГэВ.
Теперь, что касается природы. Вообще говоря, если посмотреть с точки зрения фундаментальности и уникальности явления, то едва ли можно сказать, что это уникальное явление. Всякий ускоренно движущийся заряженный источник - когда он, как электрон в магнитном поле, движется по круговой орбите - излучает.
Для того чтобы было такого типа излучение, с такими свойствами, важно другое. Движение по круговой орбите, это раз, и релятивистские энергии, это два. И необходимо, чтобы движение заряда было с ускорением, например, с центростремительным ускорением.
Были разные модели. Виталий Васильевич уже сказал о Крабовидной туманности. Действительно, считалось, что это излучение от электронов, которые движутся в галактических магнитных полях, наша Галактика заполнена магнитными полями. Что это синхротронное, а точнее магнитно-тормозное излучение электронов можно было определить по спектру излучения. Кроме того, примерно известны напряженности магнитных полей звезд, галактик и так далее. Поэтому это излучение отождествляется с синхротронным.
Но я ещё хочу сказать о другом эффекте, который обсуждался очень интенсивно лет 30 назад, и с ним тоже были связаны большие надежды, по существу, научный переворот, о гравитационном синхротронном излучении. Было затрачено много средств, особенно в Америке, были уникальные эксперименты по поиску источника гравитационных волн синхротронного типа.
В частности, в одной из моделей предполагалось, что в центре нашей галактики есть огромная, массивная черная дыра, с массой больше массы Солнца примерно десять в восьмой степени раз. И космические частицы, двигаясь вокруг черной дыры по почти светогеодезическим траекториям с колоссальной скоростью, излучали гравитационные волны ровно таким же синхротронным механизмом за счет того, что эти частицы обладали центростремительным ускорением. Вот такое излучение пытались наблюдать на Земле. Были экспериментальные работы, в частности, группы Вебера, которые вроде бы показывали, что такое излучение наблюдалось, но, к сожалению, никакие другие лаборатории не подтвердили эти эксперименты.
И ещё буквально два слова, тоже, наверное, для аудитории, насчет линейной поляризации и циркулярной, круговой поляризации. Электромагнитное поле излучения, как известно, характеризуется взаимно-перпендикулярными электрическим и магнитным векторами. Если электрический вектор колеблется в одной плоскости, то это будет линейная поляризация. Но, этот вектор может и вращаться.
И оказалось, что синхротронное излучение обладает такими уникальными свойствами, что при определенных углах можно наблюдать циркулярную поляризацию или линейную поляризацию. В частности, если оно наблюдается очень близко к плоскости орбиты движения электронов, то там будет линейная поляризация, примерно где-то процентов 80.
В.М. По вопросу круговой поляризации в своё время была статья Виталия Иосифовича Гольданского. Он, кстати, был первым председателем комиссии по синхротронному излучению. И он предполагал, что круговая поляризация синхротронного излучения могла вызвать асимметричный синтез. А основа жизни - это асимметричный синтез, белки и сахара - это хиральные структуры. Я помню, он очень спешил её опубликовать и опубликовал в журнале «Коммунист», у меня этот журнал есть. Эта идея до сих пор бродит по миру. Я недавно рецензировал статью, в которой, как один из вариантов асимметричного синтеза, предполагается воздействие синхротронного излучения.
А.Г. Но для этого оно должно присутствовать в природе в гораздо большем масштабе…
В.М. Ну, конечно, здесь интенсивность очень небольшая. На Земле такого излучения не было во время зарождения жизни.
А.Г. Но это, кстати, довод в пользу теории панспермии: если где-то могла создаться ситуация, при которой было такое излучение, давшее асимметричный синтез…
В.М. Да, да. На самом деле, идея очень разумная, конечно, не глупая идея.
А.Г. Теперь мы подходим уже вплотную к ответу на вопрос, что от этого нашему колхозу и почему такое количество ученых занимается этим. Ведь это не только, как я понимаю, теория, это имеет и прикладное значение.
В.М. У всех подобных источников есть прикладное значение и даже промышленное.
На следующем рисунке приведена линейная поляризация для разных энергий, и круговая поляризация, которая достигает ста процентов. Например, чтобы исследовать дихроизм, очень легко переключить левую круговую поляризацию на правую. Но это подстрочное замечание.
Прежде чем мы двинемся дальше, одно замечание о развитии рентгеновских источников. Рентгеновское излучение было открыто в 1895 году. До 1963 года яркость этих источников практически не увеличивалась. Она стала увеличиваться, когда изобрели рентгеновские трубки с вращающимся анодом. А дальше - источники синхротронного излучения, вот какой рост. Синхротронный - в первом поколении. Дальше специализированные источники, это второе поколение. И третье поколение, о котором, если времени хватит, мы два слова скажем. За пол века увеличение яркости почти на 15 порядков. В настоящее время в Дубне строится машина третьего поколения. Там достигаются уже фантастические яркости. На следующем слайде - один из новейших источников синхротронного излучения в США. Здесь, помимо круговых орбит, в прямолинейные промежутки встроены устройства, которые специально искажают магнитное поле - ондуляторы. Справа внизу - излучение линейного ондулятора. Тут специально вносится искажение в магнитное поле с маленьким радиусом. А маленький радиус приводит к более жесткому излучению при той же энергии. Поэтому ондулятор был первым встроенным устройством. А если использовать длинный ондулятор, 1200 элементов периодичности, то там происходит эффект самоусиления, фактически фазировка на очень большом расстоянии, и получается когерентное рентгеновское излучение. Под строительство этого источника американцы получили деньги из программы СОИ. Потому что у этого длинного ондулятора получаются мгновенные мощности в гигаватты. То есть это сравнимо с мощностью всех электростанций страны.
А.Г. Такая рентгеновская пушка.
В.М. Да, рентгеновская пушка. Они испытывали ее, но это военное приложение, слава Богу, не понадобилось.
А вот другое, очень важное приложение. Из ондулятора можно сделать лазер на свободных электронах. Можно также из линейного ускорителя получить электроны, повернуть их в периодическое поле, и получится лазер на свободных электронах.
В.Х. Есть два типа лазеров. Есть лазер на связанных электронах, так сказать, обычный, где рабочим телом являются атомы, молекулы. И лазер на свободных электронах, такой термин тоже сейчас активно употребляется. С моей точки зрения, отличие состоит в следующем. В лазерах на связанных электронах, то есть в обычных лазерах, спектр энергий электронов строго дискретный.
И в принципе, там достаточно создать инверсную заселенность верхнего уровня энергии, а нижний уровень освободить, и далее пучком света определенной частоты можно сбросить все электроны с верхнего уровня на нижний, получается усиление…
А.Г. Накачка.
В.Х. «Накачать» - это возбудить электроны. В обычном состоянии, состоянии термодинамического равновесия заселены нижние уровни, то есть уровни с меньшей энергией. А чтобы получить усиление, необходимо создать инверсную заселенность, то есть населить электронами верхний уровень с большей энергией.
Тут уместно ещё сказать, что идея, собственно, принадлежит Эйнштейну. Ещё в 1917 году он высказал эту идею, о возможности вынужденных переходов электронов между состояниями в двухуровневой квантовой системе.
Что касается лазера на свободных электронах, то, с моей точки зрения, это практически те же самые системы, но они имеют квазинепрерывный спектр энергий. Почему свободные? По крайней мере, в одном направлении, если мы рассматриваем трёхмерное пространство, электроны в них движутся свободно, так как вдоль этого направления никакие силы на электроны не действуют. Дискретный спектр энергий зависит от какого-то дискретного квантового числа. Если же речь идет о движении в ондуляторах или в магнитном поле, то, например, вдоль магнитного поля электрон движется свободно, а спектр энергий электрона квазинепрерывен. И поэтому в лазере на свободных электронах расстояние между уровнями энергии мало. В лазере на связанных электронах оно велико, скажем между первым и вторым уровнем…
А.Г. Отсюда дискретность.
В.Х. Да, а здесь спектр энергий квазинепрерывен. Поэтому в лазере на свободных электронах всегда задействованы три уровня. И если вы даже создадите инверсную заселенность среднего уровня, а нижний станет пустым, то вынужденные переходы электронов возможны как на нижний, так и на верхний уровни. Однако здесь оказывается существенным так называемый эффект отдачи за счет излучения фотона. Когда фотон взаимодействует с электроном, последний переизлучает фотоны. Из-за того что спектр непрерывный, электрон чувствует любую отдачу при взаимодействии, хотя энергия и импульс фотона малы, в то время как при дискретном спектре он не получает отдачи. А здесь он чувствует даже маленькую отдачу. За счет этого задействованы три уровня. Игра идет на том, что уровни слабо неэквидистантны, частоты и вероятности переходов вниз и вверх чуть-чуть отличаются, так что в результате получается усиление падающего пучка фотонов.
Кроме того, можно дать такое определение: в отличие от лазеров на связанных электронах, лазеры на свободных электронах - это, как правило, устройства, в которых используются макроскопические электромагнитные поля. Скажем, электроны в накопителях движутся в макроскопическом магнитном поле.
В ондуляторе то же самое - мы видим макроскопическую траекторию. И кроме того, теорию лазера на свободных электронах можно строить как квантовую теорию (то есть фактически по Эйнштейну), а можно построить классическую теорию, используя чисто классический подход, рассмотрев, скажем, механизмы группировки электронов за счет действия электромагнитной волны и последующего когерентного электромагнитного излучения этих электронов.
Но тут всё же уместно отметить, что впервые идея о лазере на свободных электронах была высказана ещё в 1933 году Капицей Петром Леонидовичем и Дираком. Они рассмотрели теоретическую задачу рассеяния электрона на стоячей световой волне. По существу, это что-то вроде ондулятора. И тогда уже предсказали, что в такой системе возможно усиление этой волны за счет электронного пучка, взаимодействующего со стоячей волной.
У лазера на свободных электронах есть ещё одно преимущество.
Дело в том, что атом создан природой, частоты, на которых он излучает, фиксированы. Мы не можем залезть в структуру атома и изменить его частоты. А здесь мы можем перестраивать частоты, изменяя энергии электронов, меняя напряженности макроскопических полей (это в наших силах), то есть мы можем получать излучение на разных участках спектра.
Но, правда, есть и большой минус. Пучки электронов, к сожалению, значительно менее плотные, чем в лазерах на связанных электронах, и мощности всё же маловато здесь получается.
А.Г. Но зато это источник когерентного излучения.
В.Х. Да, да.
В.М. Это встроенные устройства для источников третьего поколения. Это то, что в Дубне строится, они начинают не с кольца накопителя, а с линейного ускорителя на выходе, которого стоит лазер на свободных электронах.
А здесь на картинке то, что было в «Курьере ЦЕРНа» рядом с маленьким синхротроном. Это современный европейский источник СИ, общеевропейский. Видите, рядом с ним маленькие автомобильчики? Это уже рентгеновский источник гигантских размеров. На нижнем рисунке показано, как с орбиты выводятся каналы синхротронного излучения. Это рентгеновский эксперимент. Двинемся дальше, чтобы успеть рассказать немножко про применение. Кому сказать, чтобы…
На следующем слайде показано, как выходит из поворотного магнита излучение, оно голубенькое, а дальше - биозащита. В рентгеновском источнике нужна, конечно, биозащита. На этом слайде показано, в каких областях применяют синхротронное излучение:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33