Основные принципы работы
Линейный ускоритель свободных электронов (ЛУФЭ, или англ.
Free Electron Laser – FEL) представляет собой
установку, генерирующую когерентное электромагнитное излучение на основе
движения релятивистских электронов в периодическом магнитном поле. В
отличие от традиционных лазеров, где когерентность обеспечивается
межуровневыми переходами в атомах или ионах, в ЛУФЭ источник излучения —
это полностью свободные электроны, не связанные атомными
потенциалами.
Ускоренные в линейном ускорителе электроны приобретают энергии от
сотен МэВ до десятков ГеВ. Введенные в периодическую систему магнитов
(вигиратор или ондулятор), они начинают двигаться по синусоидальной
траектории и излучать электромагнитные волны. Благодаря коллективным
эффектам и взаимодействию излучения с электронным сгустком возникает
процесс самоупорядочивания, приводящий к усилению и формированию
когерентного пучка излучения, аналогичного по свойствам лазерному.
Структура ЛУФЭ
ЛУФЭ состоит из нескольких ключевых компонентов:
- Линейный ускоритель электронов – источник
релятивистских электронов высокой энергии.
- Система транспортировки пучка – магнитные элементы
(квадруполи, диполи), обеспечивающие фокусировку и направление
электронов в ондулятор.
- Ондулятор – основная активная часть, состоящая из
периодически расположенных магнитов, создающих поперечное магнитное
поле. Электроны, проходя через ондулятор, начинают излучать.
- Оптическая система (в резонаторных ЛУФЭ) – зеркала,
обеспечивающие обратную связь для усиления когерентного излучения.
Однако большинство современных ЛУФЭ работают в режиме одноходового
усиления без резонатора.
Физика излучения в
ондуляторе
Излучение в ондуляторе определяется тремя параметрами:
- Энергия электронов (γ-фактор). Чем выше γ, тем
короче длина волны излучения.
- Период ондулятора λu – расстояние между соседними
магнитными полюсами.
- Параметр ондулятора K = eBλu / (2πmc),
характеризующий амплитуду колебаний электрона.
Фундаментальная длина волны излучения задается формулой:
$$
\lambda = \frac{\lambda_u}{2\gamma^2}\left(1 + \frac{K^2}{2}\right).
$$
Таким образом, варьируя энергию электронов и параметры ондулятора,
можно получать излучение в диапазоне от миллиметровых волн до жесткого
рентгеновского диапазона.
Коллективные эффекты и
механизм усиления
Основой работы ЛУФЭ является механизм самосинхронизации
электронов. При прохождении через ондулятор электронный сгусток
начинает взаимодействовать с излучаемым полем. В результате возникают
микропучки – области, где электроны группируются с характерным
интервалом, равным длине волны излучения. Это явление называют
модуляцией плотности.
Когда такие микропучки излучают когерентно, амплитуда поля растет
экспоненциально вдоль ондулятора. Этот процесс называют
усилением с собственной обратной связью. В отличие от
обычных лазеров, в ЛУФЭ нет необходимости в резонаторе – когерентность
возникает естественным образом.
Режимы работы
Существует два основных режима работы ЛУФЭ:
- С малым усилением – используется оптический
резонатор, в котором излучение многократно проходит через ондулятор,
усиливаясь при каждом проходе.
- С высоким усилением (Self-Amplified Spontaneous Emission,
SASE) – одноходовой режим, при котором спонтанное излучение
усиливается до лазерного уровня за один проход пучка через ондулятор.
Современные рентгеновские лазеры основаны именно на этом принципе.
Особенности и преимущества
ЛУФЭ
- Широкий диапазон частот – излучение возможно от
микроволнового диапазона до рентгена.
- Высокая яркость и когерентность – интенсивность
значительно превосходит все существующие источники.
- Ультракороткие импульсы – длительность импульса
достигает десятков фемтосекунд, что делает ЛУФЭ уникальным инструментом
для исследования быстрых процессов.
- Регулируемая длина волны – изменяется изменением
энергии электронов или параметров ондулятора.
Применения
ЛУФЭ заняли центральное место в современной физике и смежных
науках:
- Физика конденсированного состояния – исследование
динамики фазовых переходов, магнитных и сверхпроводящих систем.
- Химия и биология – определение атомной структуры
белков и вирусов с фемтосекундным временным разрешением.
- Нанотехнологии – изучение динамики наноструктур и
квантовых материалов.
- Плазменная физика – диагностика горячей плазмы и
динамики сильных полей.
- Материаловедение – исследования под действием
экстремальных условий: давления, температуры, радиации.
Современные установки
Наиболее известные центры ЛУФЭ включают:
- LCLS (Linac Coherent Light Source, США) – первый
рентгеновский ЛУФЭ в режиме SASE.
- European XFEL (Германия) – крупнейший действующий
источник когерентного рентгеновского излучения.
- SACLA (Япония) – компактный рентгеновский ЛУФЭ с
коротким периодом ондулятора.
- SwissFEL (Швейцария) и PAL-XFEL
(Корея) – установки последнего поколения с возможностью
многопользовательской работы.
Эти ускорители открыли новую эру в экспериментальной физике,
обеспечив доступ к яркому когерентному излучению в рентгеновском
диапазоне, ранее недостижимому.