Лазерный мир

Новосибирский ученый – автор новаторских работ в области лазеров на свободных электронах

Американское физическое общество (APS) избрало своим почетным членом заведующего лабораторией Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, члена-корреспондента РАН Николая Винокурова — за новаторскую теоретическую и экспериментальную работу в области лазеров на свободных электронах.

— Американские научные сообщества часто принимают в свои почетные члены российских ученых?

— В нашем институте почетным членом APS уже давно является его научный руководитель академик Александр Скринский. Кроме того, почетными членами APS являются несколько бывших сотрудников ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН, которые сейчас работают в зарубежных ускорительных лабораториях. Это характеризует институт как производителя высококлассных научных кадров. Я тоже работал в США полтора года, участвовал в двух проектах. В частности, я участвовал в создании ондулятора для LCLS в Стэнфорде — первого в мире ЛСЭ в жестком с рентгеновском диапазоне, запущенного в 2012 году.

Конкурировать нет времени

— Вы разработали новый тип ондулятора вместе с ученым из США?

— Немного раньше, чем наш американский коллега Клаус Хальбах, мы сделали ондуляторы такой конструкции, которые потом стали повсеместно использоваться в источниках рентгеновского излучения, и в 1995 году вместе с ним получили премию за создание гибридного ондулятора. Назначение ондулятора (предложенного в 1947 году лауреатом Нобелевской премии В. Л. Гинзбургом) состоит в том, чтобы заставить электроны как можно чаще менять траекторию и, следовательно, излучать фотоны (в основном в направлении своего движения). Особенность гибридного ондулятора состояла в использовании ферромагнитных (например, железных) элементов конструкции для получения большего магнитного поля.

— В науке не оказалось места патриотизму или национальной конкуренции?

— Что касается «научной эмиграции», то не все уехавшие из России остаются там навсегда. Многие сотрудники ИЯФ вернулись после завершения совместных проектов. В 1990-е был большой поток. Хотя и сейчас у многих молодых сотрудников нет возможности заработать на квартиру, а снимать жилье на большую часть зарплаты в течение всей жизни — незавидная перспектива.

Утечка мозгов или научная мобильность?

— Значит, кадры продолжают утекать…

— Если бы перспективные специалисты не имели возможности выбрать себе место работы и жительства, как это принято во всем мире, у нас был бы рабовладельческий строй. В американских университетах работают не только русские, но и немцы, китайцы, индусы. Это не утечка мозгов, а нормальная история — «научная мобильность» называется. ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН вырастил много хороших специалистов и вырастит еще. На всех научных проектов не хватает, а человек может набраться опыта и вернуться. Когда из моей лаборатории уезжали специалисты, я поначалу горевал, а потом подумал: «Как я их здесь трудоустрою, если они все вернутся»? Будут места и условия — будут люди. Проблемы с качеством и количеством кадров у нас, естественно, есть, но мы их решаем, обучая студентов (в основном НГУ и НГТУ). Наши бывшие сотрудники за рубежом занимают ведущие должности. Это тоже свидетельство нашего неплохого научного уровня.

— В истории ИЯФ было много случаев, когда ученые первыми в мире совершали серьезные открытия и получали важные результаты, но почему-то никто из первооткрывателей не получил Нобелевскую премию. Могли бы объяснить почему?

— Если отбросить недостаточную приборную базу и вспомнить действительно прорывные результаты мирового уровня, то, мне кажется, возможна причина организационного плана. При подаче на премию кандидата необходимо номинировать, то есть иметь способность договариваться. Сообщество членов Российской академии наук должно быть достаточно сплоченным и иметь объективную оценку достижений в тех или иных направлениях, чтобы не иметь коренных разногласий по поводу выдвижения кандидатов из рядов своих представителей.

Т-лучи вместо субмиллиметров

О лазерах на свободных электронах Николай Винокуров читает курс лекций для студентов Новосибирского госуниверситета, а иногда и лекции для учеников физико-математической школы, поэтому готов рассказывать о предмете своих работ с любой степенью популяризации и подробности.

Электромагнитное излучение разных диапазонов применяется повсюду: к нему относятся и видимый свет обычной электрической лампочки, и разнообразные лазеры, и рентгеновское излучение, и радиоволны. Но физиков больше всего интересует диапазон, в котором существует меньше источников, ведь именно там можно обнаружить какие-то новые свойства или сделать неожиданные открытия. Один из таких диапазонов — длины волн меньше миллиметра (от миллиметра до нескольких микрон).

— Это излучение еще называют терагерцовым, поскольку новое слово позволяет некоторым лучше продать старую вещь,— смеется Николай Винокуров.— Про субмиллиметровое излучение можно прочитать в учебниках 1950-х годов, а Т-лучи появились относительно недавно, можно сказать, инновация. Правда, приложений этого излучения пока немного. Оно применяется, например, для спектроскопии, то есть исключительно для науки. А вот просвечивать им грузовики вместо рентгена в поисках контрабанды или взрывчатки пока слабо получается, хоть и очень активно эта опция Т-лучей рекламируется. На деле же картинка выходит очень размытая.

Мировой рекорд на микронных волнах

Наиболее мощные генераторы рентгеновского излучения — это циклические ускорители, на которых получают магнитно-тормозное излучение, оно же — синхротронное. Его излучают электроны, которые летят по окружности со скоростью, близкой к световой, в магнитном поле, и, двигаясь с ускорением на поворотах, они теряют энергию в виде фотонов. Это наиболее интенсивное рентгеновское излучение. Сегодня словосочетание «синхротронное излучение» обрело большую популярность в связи с планами строительства современного российского центра синхротронного излучения СКИФ.

На источниках СИ спектральная мощность излучения сравнительно мала, но там можно получить стабильное излучение и высокую среднюю по времени яркость излучения. Однако есть эксперименты, в которых требуются еще большие яркость и пиковая мощность, то есть нужна яркая вспышка на очень коротком временном промежутке. Для таких работ идеально подходит рентгеновский ЛСЭ. В нем так же, как и на источниках СИ, есть станции, на которых ученые из разных областей изучают свои образцы с помощью излучения.

На новосибирском ЛСЭ более десяти исследовательских станций, где работают биологи, медики, физики твердого тела и химики, которым нужно излучение с длинами волн от 6 до 240 микрон. Аналогов ЛСЭ с таким уникально большим диапазоном перестройки и высокой средней мощностью в мире нет.

Всего одна лампочка

— Что вам дает мировой рекорд мощности? — интересуюсь я, глядя на графики с обведенными красным рекордами.— Для меня, например, 100 ватт — это просто мощность лампочки.

— Рекорды никому ничего не дают,— улыбается ученый.— Они нужны только тем, для кого они что-то значат, то есть для сравнительно небольшого сообщества ученых, которые занимаются ускорительной физикой. Это и есть мощность лампочки, только в некоторых диапазонах длин волн ни у кого в мире ее нет. Кроме того, излучение нашего ЛСЭ представляет собой последовательность коротких (менее 100 пикосекунд) импульсов с пиковой мощностью более мегаватта. Это используется в некоторых проводящихся у нас экспериментах. Например, кусочки углерода в воде превращаются в наночастицы от мгновенного испарения воды с облучаемой поверхности и получающегося в результате гидроудара.

А еще на нашем ЛСЭ можно изучать быстропротекающие процессы, которые длятся около одной десятой наносекунды.

Профессор показал пальцами расстояние примерно 3 см и, встретив мой удивленный взгляд, пояснил, что время можно легко показать пальцами, ведь мы знаем скорость света и длительность импульса, а значит, всегда можем сосчитать длину светового импульса. «Сто пикосекунд умножаем на скорость света и получаем ровно три сантиметра»!

Магнит между двух зеркал

Новосибирский ЛСЭ — один из источников субмиллиметрового излучения. Он может генерировать волны от 6 до 240 микрон с относительной спектральной шириной менее 1%.

Принцип действия всех ЛСЭ основан на явлении вынужденного ондуляторного излучения. Последнее состоит в том, что поле излучения немного меняет продольные координаты электронов, движущихся в ондуляторе. Из-за этого происходит конструктивная интерференция полей излучения электронов, в результате чего на порядки повышается мощность излучения.

Чем длиннее ондулятор, тем сильнее проявляется эффект вынужденного излучения. Чтобы получить излучение в рентгеновском спектре, нужно сделать ондулятор длиной от 100 метров. Весь рентгеновский лазер на свободных электронах, по сути, представляет собой линейный ускоритель электронов длиной как минимум километр, плюс ондулятор. В более длинноволновых диапазонах, например в субмиллиметровом, можно обойтись более коротким ондулятором и поставить зеркала до и после ондулятора. Тогда ондуляторное излучение, отражаясь от них, многократно проходит через ондулятор и усиливается при взаимодействии с электронным пучком. Такая схема реализована и на всех трех ЛСЭ уникальной научной установки «Новосибирский ЛСЭ».

Намного моложе рентгена

— Субмиллиметровые ЛСЭ устроены проще и стоят дешевле, чем источники СИ, но первых в мире десятки, а вторых сотни. Почему?

— Источники СИ — это давно отработанный и более массовый инструмент, на нем установлено много ондуляторов и могут одновременно работать сразу все станции, каждая со своими параметрами излучения. При этом опыт работы с субмиллиметровым излучением несколько десятков лет против целого века работы с

рентгеновским излучением, если считать с момента появления первых рентгеновских трубок. Кроме того, задачи, которые можно решать с использованием субмиллиметрового излучения, интересны более узкому кругу специалистов.

Сибирский ускоритель в одесском порту

— Ускорительная физика всем кажется такой вещью в себе, от которой не приходится ждать какой-то практической пользы. Наука ради науки?

— Требовать от науки практической пользы — это совсем не новое веяние. «Характерная черта нашего времени — опора на науку, укрепление ее связи с производством, превращение науки в непосредственную производительную силу» (постановление ЦК КПСС «О 80-летии Второго съезда РСДРП».— Правда, 1983, 5 апреля). Иногда что-то получалось внедрить, но ускорительная физика это слишком сложная область, в которой разработкам непросто найти применение, да и промышленность не всегда готова к внедрению новых технологий. Раньше для этого существовали специальные отраслевые институты и постановления ЦК КПСС. Сейчас же у нас другой общественный строй — капитализм. Например, разработанная в ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН малодозная рентгеновская установка работает только в Толмачево. А в большинстве аэропортов России люди по старинке разуваются, вытряхивают содержимое карманов и снимают с брюк ремни, чтобы все это не звенело при прохождении через рамку.

Правда, в некоторых аэропортах стоит установка с источником излучения миллиметровых волн. Что там на ней можно разглядеть, я даже не представляю, но рыночная конкуренция развивается не по законам физики. 40 лет назад в Одесском порту был установлен ускоритель производства ИЯФ для облучения импортной пшеницы, зараженной жуком-долгоносиком. Электроны с низкой энергией не дают остаточной радиоактивности, так что процедура была совершенно безвредная и блестяще справлялась с задачей, но технология тем не менее не получила широкого распространения. Только сейчас, спустя десятки лет, радиационное обеззараживание постепенно получает развитие — наш институт производит такие установки на заказ, в большей степени для других стран.

Источник: https://www.kommersant.ru/doc/4134753