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.

мал_иллюстрация.jpg
 
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.

Пресс-служба ИЯФ СО РАН


Похожие новости

  • 28/02/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу, которая уточнит кварковую модель

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D).
    1382
  • 15/08/2019

    Эксперимент Belle II пройдет с участием ученых Академгородка

    ​Эксперимент Belle II — это один из экспериментов в физике высоких энергий, работающий на передовых рубежах современной науки. Данные, полученные в результате эксперимента, позволят проверить предсказания Стандартной модели для вероятностей редких распадах B- и D-мезонов и t-лептона, улучшить точность измерения параметров нарушения симметрии между веществом и антивеществом и, возможно, обнаружить проявления новой физики.
    1024
  • 23/05/2019

    Археологи выделили на юге Западной Сибири новую культуру эпохи неолита – барабинскую

    Ученые Института археологии и этнографии СО РАН (ИАЭТ СО РАН) выделили на юге Западно-Сибирской равнины новую неолитическую культуру – барабинскую. Основой полученных данных стали исследования уникального комплекса, состоящего из двух жилых сооружений, артефактов из них, а также нескольких своеобразных ям для заготовки рыбы.
    1316
  • 27/03/2019

    Эксперимент в ЦЕРН подтвердил существование редких многокварковых состояний

    Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), 26 марта на конференции Moriond QCD объявила об обнаружении в распадах Λb-бариона трех пентакварков – «экзотических» структур, состоящих из пяти кварков.
    827
  • 14/04/2017

    На коллайдер SuperKEKb в Японии установили детектор Belle II с российским оборудованием

    В ускорительном центре КЕК (Цукуба, Япония) завершена установка детектора Belle II в место встречи пучков коллайдера SuperKEKB, сообщает пресс-служба КЕК. Общий вес детектора превышает 1400 тонн. Одна из его ключевых систем – 40-тонный электромагнитный калориметр на основе кристаллов йодистого цезия – был создан и разработан при определяющем участии Института ядерной физики им.
    1826
  • 09/07/2020

    Физики изучают возможность генерации «закрученных» поверхностных плазмон-поляритонов на Новосибирском лазере на свободных электронах

    ​​Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно с коллегами из Самарского национального исследовательского университета имени академика С.
    1405
  • 15/07/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии двух новых возбужденных состояний прелестного бариона, которые, возможно, являются новой частицей Λb (1D) (лямбда-б барион (1D)) или Σb (сигма-б барион).
    778
  • 26/08/2016

    Ученые СО РАН представили результаты работы на Международной конференции в области высоких энергий

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН приняли участие в 38-й Международной конференции в области физики высоких энергий в Чикаго (ICHEP-2016).
    3701
  • 04/06/2020

    Эксперимент геологов и физиков внес вклад в понимание природы железных метеоритов

    Научная группа Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН (ИФВД РАН), Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно со специалистами Института ядерной физики им.
    456
  • 25/05/2017

    Большой адронный коллайдер возобновил сбор данных

    На Большом адронном коллайдере (БАК) закончились технические работы и модернизация — он возобновил сбор данных, в трех экспериментах на коллайдере участвуют исследователи НГУ и ИЯФ СО РАН. Планируемая остановка на технические работы на БАК случается в начале каждого года.
    2442