Создана СВЧ-фотопушка – это устройство позволит генерировать пучки электронов предельно малых размеров и в перспективе создать комплекс по изучению объектов на атомарном уровне
- 22.10.2026
В экспериментах на коллайдерах с помощью пучков электронов физики получают новые знания о фундаментальных свойствах мира. На синхротронах электронный пучок генерирует электромагнитное излучение (синхротронное излучение, СИ), с помощью которого химики, биологи, физики и другие исследователи получают новые лекарства, вакцины и исследуют материалы. В зависимости от задач пучок электронов должен обладать определенными параметрами, но в любом случае сначала его нужно получить. Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разрабатывают фотопушку – устройство для получения ультракоротких электронных пучков. Для сравнения: стандартный продольный размер электронного пучка в синхротроне СКИФ составляет около сантиметра, а используя в качестве источника электронов фотопушку, продольный размер можно уменьшить до долей миллиметра. На основе СВЧ-фотопушек планируется создать лабораторный стенд для изучения структуры и свойств объектов на атомарном уровне в режиме реального времени, что актуально для биомедицины и фармацевтики. Сейчас подобные исследования можно проводить, например, на пользовательских станциях Новосибирского лазера на свободных электронах (ЛСЭ), они запланированы и на станции «Структурная диагностика» ЦКП «СКИФ». Преимущество установок на основе фотопушек в том, что они помещаются в стандартную комнату, тогда как ускорительный комплекс СКИФ и ЛСЭ занимают сотни квадратных метров. На данный момент физики ИЯФ СО РАН достигли промежуточных результатов – собрали в России фотопушку с системой синхронизации лазерного и СВЧ-излучения и готовятся к новому этапу измерений.
«Чтобы начать работать с электронным пучком, нужно его получить, и здесь не важно, куда он должен полететь дальше – в коллайдер, синхротрон или промышленный ускоритель. Зарождаются пучки частиц в электронной пушке, – прокомментировала младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН и ЦКП «СКИФ» Кристина Сибирякова. – В зависимости от того, какая конечная цель у ускорительного комплекса, пучок будет обладать разными характеристиками. В каком-то случае важен эмиттанс пучка, в каком-то его размер, в каком-то делается акцент на ток или длительность пучка».
Для получения электронов в ускорительном комплексе может использоваться термоэмиссионная пушка и термокатод. Под воздействием температуры и приложенного электрического поля с поверхности катода начинает происходить эмиссия, или вытягивание, электронов, которые в дальнейшем преобразуются в электронный пучок.
«Так мы получаем пучок электронов на синхротроне СКИФ, – пояснила Кристина Сибирякова. – Но если мы хотим получить короткие пико- или фемтосекундные пучки (когда речь идет о продольном размере пучков частиц, которые двигаются со скоростью близкой к скорости света, то он определяется в единицах измерения времени), да еще и с большим пиковым током, то термопушка уже не эффективна. В таком случае нужно использовать фотопушки и фотокатоды. Короткий электронный пучок с большим зарядом необходим, например, для реализации исследовательского метода сверхбыстрой электронной дифрактометрии, которая позволяет в режиме реального времени изучать внутреннюю структуру материалов и веществ на атомном и молекулярном уровне. Также фотопушки могут использоваться в качестве источника электронов для того же ЛСЭ, когда необходимы короткие пучки с большим током».
СВЧ-фотопушка производства ИЯФ СО РАН. Фото К.Сибиряковой.
В случае с фотопушкой работает фотоэффект, то есть выход электронов с освещаемой лазером поверхности катода. Чем более короткий лазерный импульс используется, тем более короткий пучок электронов получают на выходе. Современные лазеры способны создавать сверхкороткие световые импульсы.
«Длительность пучка – это, скажем так, заводская настройка, – добавила Кристина Сибирякова. – Если у тебя есть пикосекундный или фемтосекундный лазер, значит ты можешь получать ультракороткие пучки. А вот заряд, размер пучка, угловая расходимость частиц в пучке и другие характеристики пучка зависят от поперечных характеристик лазерного пятна и его интенсивности. Кроме этого параметры пучка сильно зависят от материала фотокатода и его поверхности. Часто для удаления различных оксидных плёнок и получения большого заряда необходимо производить чистку поверхности фотокатода перед получением рабочего пучка. Для этих целей необходим один режим лазерной системы, для получения самого электронного пучка – другой, а для минимизации углового распределения частиц в пучке – третий. Для реализации разных режимов должна быть создана специальная система управления лазером. В процессе работы совместно с коллегами из Института автоматики и электрометрии СО РАН (ИАиЭ СО РАН) была разработана и создана такая система.»
На данный момент в ИЯФ СО РАН разработана первая итерация фотопушки с системой синхронизации. На установке прошли «холодные» измерения (без СВЧ-мощности), на которых были получены нужные распределения полей и частоты. Впереди сборка и запуск стенда для проверки вакуумной прочности, подача СВЧ мощности в фотопушку и изучение темновых токов.
«СВЧ-фотопушка – это весьма продвинутый источник электронного пучка высокого качества, то есть с ультракороткой длительностью и малым эмиттансом, – прокомментировал заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе академик РАН Евгений Левичев. – Такие приборы востребованы в системах инжекции лазеров на свободных электронов или источников синхротронного излучения. Они применяются в электронных микроскопах и для исследования атомной структуры методами сверхбыстрой электронной дифракции. Кроме того, сам факт того, что коллектив способен создавать такие сложные СВЧ-устройства говорит о росте его компетенций, квалификации и мастерства».