Електрон стріляє на льоту

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

<

>

Наші французькі колеги в журналі «Сьянс е ві» ( «Наука і життя») оголосили цю тему красиво і яскраво: «Вся веселка - з одного лазера». І далі, порівнявши сучасні лазери, що випромінюють кожен на своїй частоті, з народами, які географічно живуть поруч, але не можуть знайти спільну мову, повідомили про роботи зі створення свого роду лазерного есперанто - установки, яка одна зможе перекрити величезний частотний діапазон, мало немає від рентгенівських променів до радіохвиль. Ця установка - лазер на вільних електронах, або, відповідно до узаконеного вже скорочення, - ЛСЕ. А ось ще одна зустріч з темою - стаття «Взаємодія електронів з електромагнітним полем в ЛСЕ», нещодавно опублікована в журналі «Успіхи фізичних наук». За вірним адресами, за списком літератури, наведеному в кінці цієї публікації, ми знаходимо фізиків з числа тих, хто займається проблемою ЛСЕ - Анрі Амвросьевіча Рухадзе і Михайла Васильовича Федорова, - і з їх коротких оповідань створюється це зовсім вже коротке пояснення, щодо нового для широкого загалу предмета.

Почати краще з звичайних лазерів, які так і хочеться назвати лазерами на пов'язаних електронах. Тут головна дійова особа - атоми (молекули) активної речовини, наприклад, рубіни, неодимового скла або вуглекислого газу. Ці атоми - елементарні випромінювачі, вони і створять в результаті лазерний промінь, викидаючи найдрібніші порції Елекромагнітний випромінювання, зокрема кванти світла. Про лазерах так багато і так докладно розказано в популярних виданнях, що можна, мабуть, без пояснень і в досить вільному стилі перерахувати деякі їх особливості, суттєві для подальшого нашої розповіді:

щоб атом-випромінювач випромінював, його потрібно, так би мовити, накачати енергією;

енергію для накачування дає зовнішнє джерело, наприклад, потужна лампа;

в результаті накачування загальний запас енергії в атомі підвищується, найчастіше це проявляється в тому, що електрон або електрони переходять на більш далеку від ядра орбіту (см. рис. 1 на кольоровій вкладці);

повертаючись в початковий стан, атом повертає отриману енергію - викидає, вистрілює квант випромінювання; строго кажучи, атом спочатку переходить в деяке проміжне стійкий стан (на метастабільний енергетичний рівень), яке на рис. 1а для спрощення не показано;

чим більше енергія, яку взяв у борг, а потім повернув атом, тим, природно, більше енергія випромінюваного кванта;

а чим більше енергія кванта, тим вище частота випромінювання (коротше довжина хвилі): енергія квантів синього світла, наприклад, набагато більше, ніж енергія квантів червоного світла, значно більш низькочастотного (більш довгохвильового);

найважливішу роль в роботі лазера грає процес індукованого випромінювання: який-небудь «накачаний» атом може випадково викинути свій квант, і він, пройшовши через сусідні атоми, і їх змусить викинути свої кванти, а ті, в свою чергу, призведуть в дію своїх сусідів і їх змусять віддати накопичену енергію - випромінювання породжує випромінювання, процес розвивається лавиноподібно;

щоб посилити цей процес, використовують дзеркала, вони концентрують випромінювання в активному середовищі; одне з дзеркал напівпрозоре, воно випускає лазерний промінь назовні (рис. 2);

як правило, атоми певного сорту запасають строго певну порцію енергії, а значить, стріляють абсолютно однаковими квантами; з цим пов'язано найважливіше гідність лазерного випромінювання - воно монохромно, має одну строго певну частоту, один чистий, без домішок колір;

вирішальне гідність лазерного променя - когерентність: атоми-випромінювачі викидають свої кванти узгоджено, синхронно, і всі ці мікроізлученія складаються в єдиний когерентний промінь;

формування монохромного когерентного випромінювання допомагають дзеркала, між ними строго певну відстань, на якому укладається ціле число півхвиль; тому дзеркала утворюють резонансну систему, налаштовану точно на випромінюється частоту.

Спростивши картину, можна вважати, що джерело лазерного випромінювання - електрон: перескакуючи під дією накачування на більш далеку орбіту, він збільшує свій запас енергії, а повертаючись назад, віддає борг у вигляді кванта електромагнітного випромінювання. Це - випромінювання пов'язаного електрона, всі свої дії він виробляє в межах атома, не втрачаючи зв'язку з ядром.

Але ж те ж саме може зробити і вільний електрон. Потрібно лише якимось способом збільшити його енергію і створити умови, при яких він в відповідний момент її поверне ...

Що стосується збільшення енергії вільного електрона, то це давно вирішене завдання. Можна, наприклад, розігнати електрон пришвидшує електричним полем, його різниця потенціалів входить, до речі, в одиницю вимірювання енергії частинок - в електрон-вольт, еВ; прискорюючись, в поле з різницею потенціалів 1 В, електрон набуває енергію 1 еВ; в радіолампи енергія електронів 200-300 еВ, в телевізійній трубці 15-20 кеВ.

Щоб відібрати у вільного електрона частина енергії, змусити його випромінювати, потрібно якось пригальмувати частку, порушити її прямолінійний рівномірний рух. Для цього, зокрема, можна, як ще в 1947 році запропонував В. Л. Гінзбург, пропустити потік електронів через ондулятор, через магнітне поле складної конфігурації, взаємодіючи з яким, електрони будуть коливатися і випромінювати (рис. За). Можна відібрати у електрона енергію, використовуючи зворотний Комптон-ефект: кванти малої енергії, порівняно довгохвильові, зіткнувшись з електроном і отримавши від нього деяку порцію енергії, стають більш енергійними, більш короткохвильовими (рис. Зв). Електрон може гальмуватися і випромінювати при переході з одного середовища в іншу (рис. 3б) - це так зване перехідне випромінювання. Випромінює електрон і при русі в гофрованому волноводе (рис. Зг), коли частка, подібно до автомобіля на вибитою дорозі, коливається на «нерівностях» електромагнітного поля. Подібний же ефект виникає при русі електрона над дифракційною решіткою (рис. Зд).

Одним словом, накачати вільний електрон енергією, а потім відібрати її у вигляді квантів випромінювання неважко. І вже давно побудовані прилади, де від потоку прискорених вільних електронів отримують так зване ондуляторное випромінювання (рис. 4). У типовому випадку електрони, по-різному пригальмовуючи і переміщаючись в магнітному полі ондулятора, на льоту стріляють квантами різної енергії, тобто дають випромінювання різних частот. Так що прилад, спрощено показаний на малюнку, - це вже генератор на вільних електронах, але ще не ЛСЕ, ще не лазер.

Але чи можна взагалі створити ЛСЕ? Чи можна отримати когерентне випромінювання від вільних електронів, які не знають настільки суворого порядку, як електрони пов'язані, які в атомі можуть перебувати тільки на певних стійких орбітах, і саме тому випромінюють кванти строго визначеної енергії? Відповідь на ці питання цілком певний - так, можна. Важливий внесок в обгрунтування такої можливості був зроблений півстоліття тому, коли самих лазерів не було і в помині - П. Л. Капіца і його тодішній співробітник Поль Дірак показали, що не тільки в системі атомів і молекул, але і в потоці вільних електронів можливо індуковане випромінювання, можлива поява лавини синхронно діючих квантів. А порівняно недавно були проведені експерименти, правда, поки нечисленні, в яких досить щільний потік сильно прискорених електронів, введений в резонансну систему з двох дзеркал, поєднану з ондулятором, реально давав імпульси когерентного, тобто лазерного, випромінювання (рис. 5) в інфрачервоному діапазоні. Збільшивши початкову енергію електронів в такій системі і змінивши частоту настройки дзеркального резонатора, можна було б збільшити і частоту випромінювання (рис. 6).

Цілком природною реакцією на ці експерименти повинно бути пропозиція скоріше приступити до серійного випуску ЛСЕ, частоту яких можна в широких межах змінювати поворотом ручки, подібно до того, як ми міняємо частоту настройки приймача. Сьогодні відповіддю на таку пропозицію можуть бути застережливе «Все не так-то просто ...» і підбадьорливе «Не так вже все складно ...».

Все не так-то просто з багатьох причин. Зокрема, тому що в ЛСЕ прискорювати електрони потрібно до високих енергій, до десятків і сотень МеВ; при цьому частки стають релятивістськими, їх швидкість близька до швидкості світла, а маса значно більша за масу спокою 0,5 МеВ); виявляється складна залежність механізмів випромінювання від енергії частинок і від щільності їх потоку - вже зараз обговорюються два типи ЛСЕ, один з порівняно слабким потоком електронів, інший з неабияким, в кілька тисяч ампер; досить малий поки коефіцієнт корисної дії ЛСЕ; потрібні серйозні дослідження фізичних процесів в ЛСЕ, таких, як колективні дії електронів в потужнострумових лазерах, підвищення частоти випромінювання за рахунок доплерівського ефекту, плазмові ефекти в електронних пучках ... Одним словом, і теоретикам і експериментаторам належить, мабуть, чимала робота, щоб від красивої ідеї і підкріпити її перших експериментів прийти до діючих, а тим більше серійним приладів.

У той же час все не так вже й складно тому, що фізики та інженери мають уже багатий досвід створення ЛСЕ, або, точніше, МСЕ (мазерів) та інших генераторів когерентного випромінювання радіодіапазону на вільних електронах. Дійсно, що є широко поширений ламповий генератор (зараз лампу замінив транзистор) з коливальним контуром? Це пристрій, де потік вільних електронів формується в лампі і віддає енергію в контурі, в результаті чого створюються електромагнітні коливання однієї певної частоти. Багато в чому схожі на ЛСЕ такі генератори радіохвиль, як магнетрон, клістрон або лампа біжучої хвилі. У магнетроні випромінювання народжується потоком вільних електронів прямо в об'ємному резонаторі, що дуже нагадує дзеркальну систему лазера. І зовсім вже мало відрізняються від ЛСЕ - головна відмінність лише в випромінюваної частоті! - створені горьківськими, томскими і московськими радіофізиками різноманітні генератори міліметрових і сантиметрових хвиль: убітрони, гіротрони, монотрони, твістрони, скаттрони й інші прилади високочастотної релятивістської електроніки. На знімку внизу ви бачите один з них - це карсіротрон, генератор радіохвиль довжиною близько 3 см, потужністю в кілька сотень мегават при ккд більше 10%. У цьому приладі є і прискорювач електронів, і гофрований хвилевід, і дві області, що діють, як дзеркала лазера. Такі прилади, давно створені і застосовуються, як би нагадують, що правильно, мабуть, говорити не про проблему створення ЛСЕ, а про реалізацію в них нових фізичних процесів і освоєнні нових діапазонів. Так що наведена фотографія цілком може грати роль оптимістичній кінцівки нашої розповіді.