Качественно новое излучение смоделировано для мощнейшего источника рентгеновского излучения – Европейского XFEL
- 03.04.2020
Рентгеновские лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) открыли новые горизонты для исследователей. Стало возможным изучение химических и физических свойств веществ, например, экзотических кристаллических структур наноматериалов, где важна высокая мощность излучения, а благодаря когерентным свойствам излучения ЛСЭ можно «увидеть» электронные переходы в малоизученных квантовых системах с короткоживущими состояниями, и многое другое. Для одного из самых крупных и мощных в мире рентгеновских ЛСЭ – Европейского XFEL (European X-ray Free Electron Laser) – была смоделирована возможность сверхбыстрого изменения поляризации излучения ЛСЭ. В научную группу, занимающуюся исследованием, вошел магистрант Физического факультета Новосибирского государственного университета (ФФ НГУ), старший лаборант Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Результаты теоретической работы опубликованы в журнале Physical Review Accelerators and Beams.
Принцип работы рентгеновского ЛСЭ в высокомощном режиме заключается в экспоненциальном усилении синхротронного излучения электронным пучком, ускоренным до скоростей, близких к скорости света в вакууме, и запущенным в специальное устройство с периодическим магнитным полем – ондулятор.
«Процесс усиления в ЛСЭ схож с эффектом, когда в концертном зале микрофон подносят слишком близко к колонке, к которой он же сам и подключен – внезапно возникает мощнейший звуковой сигнал. Этот процесс называется усилением шумового сигнала в усилителе с обратной связью. Впервые процесс усиления высокомощных сигналов в ЛСЭ был предложен учеными из новосибирского Академгородка, – рассказывает магистрант ФФ НГУ, старший лаборант ИЯФ СО РАН Андрей Требушинин. – В Европейском XFEL для ускорения электронного пучка используется самый большой в мире сверхпроводящий линейный ускоритель длиной 1,7 км. Ускоренный пучок попадает в ондулятор. Электроны в ондуляторе двигаются по извилистым траекториям, излучая фотоны – синхротронное излучение. После усиления его пиковая яркость значительно превосходит другие существующие виды излучения, полученные человеком. При этом спектральный диапазон излучения существующих ЛСЭ варьируется от терагерцового до рентгеновского».
По словам Андрея Требушинина, длительности вспышек излучения в перспективе сможет достигать аттосекундных (10-18 секунды) временных масштабов. «Для понимания, если взять за определение обычной секунды аттосекунду, тогда обычная секунда «растянется» в десять жизней Земли – с момента образования нашей планеты из пылевого облака», – поясняет специалист.
Научная группа поставила перед собой задачу – разработать наиболее общий подход, который позволит формировать на Европейском XFEL различные формы поляризации излучения: с меняющейся плоскостью линейной поляризации, с изменением направления циркулярной поляризации. И все это в пределах одного импульса лазера на свободных электронах.
В классическом варианте электронный пучок в плоском ондуляторе генерирует излучение с линейной поляризацией, так же есть возможность получить циркулярную поляризацию в спиральных ондуляторах. Однако, получить, например, линейную поляризацию с меняющейся плоскостью поляризации вдоль пучка излучения – это более сложная концепция, возможность реализации которой и рассматривается в теоретической работе ученых.
Иллюстрация предложенного метода. Электронный пучок излучает импульсы правой и левой поляризаций в двух последовательных ондуляторах. В процессе прохождения через них он «растягивается», смещая частоту излучения второго ондулятора. Из-за этого плоскость результирующего излечения на образце быстро вращается. Предоставлена С. Серкезом.
«Предложенная нами схема такова: электронный пучок, модулированный по плотности, последовательно пролетает через два ондулятора и в каждом излучает короткий импульс с узким спектром, – поясняет научный сотрудник группы «Simulation of Photon Fields» (Моделирование фотонных полей) Европейского XFEL, PhD in Physics Свитозар Серкез. –Ондуляторы настраиваются таким образом, чтобы эти импульсы имели ортогональные поляризации (линейные горизонтальная-вертикальная или круговые правая-левая). В результате мы получаем два наложенных друг на друга импульса. Поляризация их суммы будет зависеть от разницы фаз между исходными импульсами. Саму разность фаз на поверхности образца, а, следовательно, и поляризацию, можно модулировать либо поперечно, либо продольно, либо и поперечно, и продольно. В первом случае, на образце мы получаем кольца циклически повторяющейся поляризации. Второй случай интереснее и сложнее: для изменения разницы фаз во времени необходимо немного сдвинуть частоту излучения второго ондулятора, сохранив при этом форму спектра излучения. Зато в результате на образец будет падать свет, поляризация которого будет меняться с беспрецедентной частотой порядка триллиона циклов в секунду».
Специалисты провели компьютерное моделирование процесса на Европейском XFEL, и планируют уже через несколько лет экспериментально подтвердить расчеты, проведя серию пилотных измерений на образцах. Именно тогда можно будет официально объявить о новом номинальном режиме работы лазера.
«Количество экспериментальных методик с использованием ЛСЭ все еще растет, так что мы верим, что предложенное нами качественно новое излучение создаст новые методы измерений и приведет исследователей к новым результатам, – рассказывает Свитозар Серкез. – Также метод поможет более детально изучать дихроические материалы (покрытия, позволяющие оптическому устройству разделять пучок света на два луча с отличающимися длинами волны), а в комбинации с коротким лазером, возбуждающим образец, измеряющий рентгеновский импульс с поляризацией, зависящей от времени, позволит изучать динамику происходящих в образце процессов».
Запуск Европейского XFEL состоялся в 2017 г., в реализации проекта участвовали 12 стран, при этом по степени вовлеченности Россия занимала второе место после Германии. Россию в проекте представляет НИЦ «Курчатовский институт», осуществляющий научную координацию исследовательской программы российских участников. Большую часть вложенных средств (27% от всех расходов) российские организации получили в виде заказов на разработку и производство научного оборудования. ИЯФ СО РАН разработал для XFEL криогенные стенды для испытаний сверхпроводящих модулей линейного ускорителя, вакуумные камеры для транспортировки пучка общей длиной более километра, системы питания корректирующих электромагнитов линейного ускорителя и каналов транспортировки пучка.