Приключения электронного пучка

Здание Новосибирского лазера на свободных электронах располагается на территории Института химической кинетики и горения им В. В. Воеводского СО РАН. В мире существует множество разных ЛСЭ. Среди них есть как гиганты длиной несколько сотен метров, так и совсем маленькие установки, которые могут уместиться в небольшой комнате. Новосибирский в этом семействе занимает среднее положение. Установка находится в сравнительно небольшом зале шириной чуть больше пяти метров и длиной около 50 метров.

Большой синий бак на фотографии — это пушка ЛСЭ. Внутри находится катод. Когда он нагревается, электроны начинают вылетать с его поверхности. На небольшом расстоянии от него расположена сетка. Между ними создается электрическое поле — «дверца», которая преграждает путь электронам. Много раз в секунду на кротчайшее мгновение она открывается, и на свободу за раз успевает улететь несколько миллиардов электронов. Они образуют облако, которое и называется электронным пучком.

Пучок целиком вылетает из пушки за очень короткое по обычным масштабам время — около полутора наносекунд. Здесь он имеет еще довольно низкую энергию, но его скорость уже составляет около 80% от скорости света. Далее к ней он будет приближаться все ближе и ближе, но так никогда ее и не достигнет. Хотя по времени пучок пролетает очень быстро, его длину вполне можно себе представить — она составляет почти полметра.

Далее для ускорения везде будет использоваться переменное электрическое поле. Оно создается внутри высокочастотных (ВЧ) резонаторов и колеблется в них с частотой 180 мегагерц. Перед ускорением пучок нужно в несколько раз укоротить. Для этого в первом ВЧ резонаторе ускоряется его хвост, а голова наоборот замедляется, за счёт чего он сжимается и становится совсем коротеньким. Далее каждый раз после прохождения одного резонатора энергия пучка будет увеличиваться где-то на 800 килоэлектронвольт.

Направления движения электронов в пучке немного не совпадают. Если им предоставить полную свободу, они быстро разлетятся в разные стороны, так и не достигнув своей главной цели. Чтобы этого не допустить, электронный пучок нужно фокусировать в поперечном направлении. Для этого обычно используют так называемые квадрупольные линзы (на фотографии они покрашены в зелёный цвет).

Затем при помощи четырех поворотных магнитов (синие) наш герой направляется на общую дорожку основного ускорителя, к линейке из шестнадцати ВЧ резонаторов. Проходя через них, пучок увеличивает свою энергию почти на 10 МеВ. На выходе с общей дорожки у него есть несколько путей, ведущих к разным целям. Здесь установлены два поворотных магнита. Первый поворачивает его в горизонтальной плоскости и направляет в ЛСЭ 2-й или 3-й очереди, второй — в вертикальной, на нижнюю дорожку в ЛСЭ 1-й очереди.

Внизу пучок попадает в длинные фиолетовые устройства — ондуляторы, представляющие собой множество маленьких поворотных магнитов, задача которых: заставить его колебаться из стороны в сторону. Для этого магнитное поле периодически меняет свое направление на противоположное. Пучок движется по змеевидной траектории и при этом излучает электромагнитные волны. Меняя энергию пучка или амплитуду магнитного поля, можно перестраивать длину волны излучения. Это основное отличие ЛСЭ от обычных лазеров.

Передав часть своей энергии, пучок возвращается на верхнюю дорожку, а излучение остается в оптическом резонаторе, который состоит из двух медных зеркал. Отразившись от первого из них, излучение возвращается назад, отражается от второго зеркала и снова попадает в ондулятор. Как раз к этому моменту туда приходит свежий электронный пучок и снова отдает часть своей энергии в излучение. В конце концов мощность достигает своего максимального значения, и ЛСЭ переходит в стационарный режим генерации.

Выполнив свою работу, пучок сбрасывается в поглотитель. Здесь его миссия заканчивается — электроны возвращаются назад в природу .Поглотитель имеет форму цилиндра, стенки которого выполнены из нержавеющей стали, а внутри находится медная болванка, охлаждаемая водой.

Пучок передаёт в излучение лишь очень небольшую часть своей энергии. Если просто сбросить его в поглотитель, возникнет высокий уровень радиации. Поэтому вначале он еще раз пролетает через ВЧ резонаторы, но уже в фазе торможения, и возвращает большую часть набранной энергии. Излучение из оптического резонатора выводится через отверстия в центре зеркал и по специальному каналу идёт из зала к пользователям.

Если же пучок предназначен для 2-й или 3-й очереди, то включается большой круглый поворотный магнит, который направляет его по дорожкам, расположенным на потолке. Здесь их четыре. Сначала он пролетает по первой и снова попадает в линейный ускоритель. К той энергии, которая у него была (12 МэВ) добавляется ещё 10. После этого он отправляется на вторую и оттуда либо сворачивает в ещё один ондулятор (2-я очередь, длина волны 37-90 микрон), либо идёт на 3-4 дорожки и набирает энергию 42 МэВ (3-я).

Первая очередь ЛСЭ была запущена в 2004 году, вторая — в 2009, а третья — совсем недавно. Здесь 6 июля учёные получили первую генерацию с длиной волны 9 микрон. Предполагается, что в дальнейшем диапазон перестройки ЛСЭ третьей очереди составит от 5 до 15-20 микрон.

Во время работы лазера в помещении, где он расположен, находиться нельзя — очень высокий уровень радиации. Стены зала сделаны из толстого бетона, через который она не проникает, а установка управляется из пультовой, дистанционно. После выключения ЛСЭ уровень радиации быстро спадает. Сейчас он немного выше, чем на улице, но в 5 раз меньше, чем тот, воздействию которого подвергаются пассажиры самолета на высоте 8 км.

По специальной трубе, заполненной сухим азотом, накопленное в лазере излучение подается на пользовательские станции, которые занимают два этажа. Каждая из них оборудована под нужды той или иной исследовательской группы. На одной работают биологии, на другой — химики, на третьей — учёные из Международного томографического центра СО РАН.

К сожалению, пользователи не могут работать одновременно — все излучение попадает целиком на одну станцию. Его распределение регулируется при помощи специальных выдвижных зеркал. Когда переключатель на блоке управления этой системой находится в положении «введено», излучение попадает на станцию, «выведено» — направляется по трубе к следующим пользователям.

Эти пятнышки —«рисунки» светового пучка, следы, которые излучение оставляет после себя на бумаге. Чем больше мощность, тем темнее получается пятно, при слишком сильной — образец загорается, а в оргстекле излучение может прожечь дырку толщиной несколько сантиметров.

На входе в помещение пользовательских станций висят защитные очки. Они — обязательный элемент гардероба исследователя, работающего с лазером. Поскольку излучение мощное, основная опасность при работе с ним — поражение глаз.

Наконец мы приходим к пульту управления. Он сейчас выключен, так как лазер сегодня не работает. Здесь расположено множество мониторов — для управления работой ЛСЭ приходится запускать большое количество программ. Удивительно, но если все системы лазера работают исправно, то хватает одного оператора, который со всем этим справляется.