3 км ради одной рентгеновской вспышки? Учёные сжали лазер FEL до метров — и он уже работает
NewsMakerТехнология, которую тянули только супердержавы, теперь влезает в мобильный модуль.
Учёные из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США, при участии инженеров компании TAU Systems, представили новую методику генерации и стабильного сопровождения пучков, обладающих параметрами, необходимыми для запуска рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL). Эта разработка может радикально изменить подход к созданию подобных установок, делая их не только компактнее, но и доступнее.
В основе лежит технология лазерно-плазменного ускорения , где вместо традиционных радиочастотных волн используется короткий мощный лазерный импульс. Он фокусируется в облаке ионизированного газа, возбуждая в плазме плотностную волну, способную разгонять заряженные частицы с фантастической интенсивностью. В таких условиях создаётся ускоряющее поле величиной до 100 гигаэлектронвольт на метр, тогда как в классических системах этот показатель не превышает 50 мегавольт. Такая разница позволяет теоретически заменить многокилометровые установки модулями длиной в несколько метров.
Однако высокая энергия — лишь один из необходимых факторов. Для запуска FEL требуются ещё и строго упорядоченные пучки: с минимальным разбросом по энергиям, высокой плотностью и согласованным движением частиц. Если вектор направлений электронов отклоняется даже на доли процента, рентгеновское излучение теряет свою когерентность и интенсивность. Исследователи из Беркли добились именно такого результата: их система стабильно производит пучки с нужными характеристиками. Причём это не разовая демонстрация, а подтверждённая серия испытаний, проведённых на протяжении десятков независимых экспериментов.
Сложность современных XFEL-систем заключается в их громоздкости. Например, одна из таких установок в США растянута более чем на три километра. Вся длина уходит на то, чтобы разогнать электроны до нужной энергии, при этом не разрушив их внутреннюю структуру. Именно поэтому подобные объекты строятся лишь в крупнейших научных центрах мира. Новая концепция стремится устранить эту зависимость от инфраструктурных масштабов — если плазменный метод сможет обеспечить нужные характеристики, то лазеры на свободных электронах перестанут быть элитным инструментом.
Эксперименты проводились на установке BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator). Здесь лазер формирует в плазменной среде ускоряющую волну, которая захватывает и разгоняет впрыснутые в неё электроны. Задача заключалась не просто в достижении нужной энергии, а в том, чтобы выходной пучок соответствовал требованиям FEL. Любые отклонения в геометрии или нарушенная фазовая структура разрушают дальнейший процесс генерации рентгеновского света.
Для преобразования энергии движения в излучение электроны направляются в ондулятор — магнитное устройство, создающее чередующиеся поля. Проходя через него, заряженные частицы начинают двигаться по синусоидальной траектории, испуская рентгеновские волны с чёткой фазовой структурой. Чтобы процесс шёл с усилением, входной поток должен быть максимально когерентным. Любая разбалансировка приведёт к срыву генерации. Команда из TAU Systems обеспечила точное сопряжение между выходом плазменного ускорителя и магнитной секцией, добившись экспоненциального роста интенсивности — главного признака работы FEL-режима.
Полученные результаты открывают возможности для развития компактных рентгеновских лазеров, которые можно развернуть прямо на месте проведения исследований. Это особенно важно для таких направлений, как биохимия, материаловедение или нанофизика, где требуется молекулярная детализация и оперативная визуализация сложных структур. Кроме того, использование таких установок возможно и в индустриальных задачах — например, в фотолитографии при производстве микросхем или в неразрушающем анализе сложных компонентов.
Открывается и ещё одно направление: использование таких пучков в качестве дополнения к уже действующим установкам. Например, плазменные ускорители можно встроить в существующую инфраструктуру XFEL, расширяя их спектральные возможности или увеличивая энергетический диапазон. Это позволит оптимизировать рабочие параметры без необходимости масштабной перестройки оборудования.
Для разработчиков это лишь первый этап. Успешная демонстрация FEL на базе LPA — это стартовая платформа для дальнейших шагов. В перспективе такие ускорители смогут стать основой для модульных коллайдеров, компактных источников облучения или даже устройств, предназначенных для задач фундаментальной физики высоких энергий. Переход от километров к метрам — не просто инженерное достижение, а задел на переосмысление всей архитектуры будущих ускорительных систем .
Учёные из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США, при участии инженеров компании TAU Systems, представили новую методику генерации и стабильного сопровождения пучков, обладающих параметрами, необходимыми для запуска рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL). Эта разработка может радикально изменить подход к созданию подобных установок, делая их не только компактнее, но и доступнее.
В основе лежит технология лазерно-плазменного ускорения , где вместо традиционных радиочастотных волн используется короткий мощный лазерный импульс. Он фокусируется в облаке ионизированного газа, возбуждая в плазме плотностную волну, способную разгонять заряженные частицы с фантастической интенсивностью. В таких условиях создаётся ускоряющее поле величиной до 100 гигаэлектронвольт на метр, тогда как в классических системах этот показатель не превышает 50 мегавольт. Такая разница позволяет теоретически заменить многокилометровые установки модулями длиной в несколько метров.
Однако высокая энергия — лишь один из необходимых факторов. Для запуска FEL требуются ещё и строго упорядоченные пучки: с минимальным разбросом по энергиям, высокой плотностью и согласованным движением частиц. Если вектор направлений электронов отклоняется даже на доли процента, рентгеновское излучение теряет свою когерентность и интенсивность. Исследователи из Беркли добились именно такого результата: их система стабильно производит пучки с нужными характеристиками. Причём это не разовая демонстрация, а подтверждённая серия испытаний, проведённых на протяжении десятков независимых экспериментов.
Сложность современных XFEL-систем заключается в их громоздкости. Например, одна из таких установок в США растянута более чем на три километра. Вся длина уходит на то, чтобы разогнать электроны до нужной энергии, при этом не разрушив их внутреннюю структуру. Именно поэтому подобные объекты строятся лишь в крупнейших научных центрах мира. Новая концепция стремится устранить эту зависимость от инфраструктурных масштабов — если плазменный метод сможет обеспечить нужные характеристики, то лазеры на свободных электронах перестанут быть элитным инструментом.
Эксперименты проводились на установке BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator). Здесь лазер формирует в плазменной среде ускоряющую волну, которая захватывает и разгоняет впрыснутые в неё электроны. Задача заключалась не просто в достижении нужной энергии, а в том, чтобы выходной пучок соответствовал требованиям FEL. Любые отклонения в геометрии или нарушенная фазовая структура разрушают дальнейший процесс генерации рентгеновского света.
Для преобразования энергии движения в излучение электроны направляются в ондулятор — магнитное устройство, создающее чередующиеся поля. Проходя через него, заряженные частицы начинают двигаться по синусоидальной траектории, испуская рентгеновские волны с чёткой фазовой структурой. Чтобы процесс шёл с усилением, входной поток должен быть максимально когерентным. Любая разбалансировка приведёт к срыву генерации. Команда из TAU Systems обеспечила точное сопряжение между выходом плазменного ускорителя и магнитной секцией, добившись экспоненциального роста интенсивности — главного признака работы FEL-режима.
Полученные результаты открывают возможности для развития компактных рентгеновских лазеров, которые можно развернуть прямо на месте проведения исследований. Это особенно важно для таких направлений, как биохимия, материаловедение или нанофизика, где требуется молекулярная детализация и оперативная визуализация сложных структур. Кроме того, использование таких установок возможно и в индустриальных задачах — например, в фотолитографии при производстве микросхем или в неразрушающем анализе сложных компонентов.
Открывается и ещё одно направление: использование таких пучков в качестве дополнения к уже действующим установкам. Например, плазменные ускорители можно встроить в существующую инфраструктуру XFEL, расширяя их спектральные возможности или увеличивая энергетический диапазон. Это позволит оптимизировать рабочие параметры без необходимости масштабной перестройки оборудования.
Для разработчиков это лишь первый этап. Успешная демонстрация FEL на базе LPA — это стартовая платформа для дальнейших шагов. В перспективе такие ускорители смогут стать основой для модульных коллайдеров, компактных источников облучения или даже устройств, предназначенных для задач фундаментальной физики высоких энергий. Переход от километров к метрам — не просто инженерное достижение, а задел на переосмысление всей архитектуры будущих ускорительных систем .