Беседы 2003 года (№9) - Диалоги (сентябрь 2003 г.)

А.Г. Накачка.

В.Х. «Накачать» – это возбудить электроны. В обычном состоянии, состоянии термодинамического равновесия заселены нижние уровни, то есть уровни с меньшей энергией. А чтобы получить усиление, необходимо создать инверсную заселенность, то есть населить электронами верхний уровень с большей энергией.

Тут уместно ещё сказать, что идея, собственно, принадлежит Эйнштейну. Ещё в 1917 году он высказал эту идею, о возможности вынужденных переходов электронов между состояниями в двухуровневой квантовой системе.

Что касается лазера на свободных электронах, то, с моей точки зрения, это практически те же самые системы, но они имеют квазинепрерывный спектр энергий. Почему свободные? По крайней мере, в одном направлении, если мы рассматриваем трёхмерное пространство, электроны в них движутся свободно, так как вдоль этого направления никакие силы на электроны не действуют. Дискретный спектр энергий зависит от какого-то дискретного квантового числа. Если же речь идет о движении в ондуляторах или в магнитном поле, то, например, вдоль магнитного поля электрон движется свободно, а спектр энергий электрона квазинепрерывен. И поэтому в лазере на свободных электронах расстояние между уровнями энергии мало. В лазере на связанных электронах оно велико, скажем между первым и вторым уровнем…

А.Г. Отсюда дискретность.

В.Х. Да, а здесь спектр энергий квазинепрерывен. Поэтому в лазере на свободных электронах всегда задействованы три уровня. И если вы даже создадите инверсную заселенность среднего уровня, а нижний станет пустым, то вынужденные переходы электронов возможны как на нижний, так и на верхний уровни. Однако здесь оказывается существенным так называемый эффект отдачи за счет излучения фотона. Когда фотон взаимодействует с электроном, последний переизлучает фотоны. Из-за того что спектр непрерывный, электрон чувствует любую отдачу при взаимодействии, хотя энергия и импульс фотона малы, в то время как при дискретном спектре он не получает отдачи. А здесь он чувствует даже маленькую отдачу. За счет этого задействованы три уровня. Игра идет на том, что уровни слабо неэквидистантны, частоты и вероятности переходов вниз и вверх чуть-чуть отличаются, так что в результате получается усиление падающего пучка фотонов.

Кроме того, можно дать такое определение: в отличие от лазеров на связанных электронах, лазеры на свободных электронах – это, как правило, устройства, в которых используются макроскопические электромагнитные поля. Скажем, электроны в накопителях движутся в макроскопическом магнитном поле.

В ондуляторе то же самое – мы видим макроскопическую траекторию. И кроме того, теорию лазера на свободных электронах можно строить как квантовую теорию (то есть фактически по Эйнштейну), а можно построить классическую теорию, используя чисто классический подход, рассмотрев, скажем, механизмы группировки электронов за счет действия электромагнитной волны и последующего когерентного электромагнитного излучения этих электронов.

Но тут всё же уместно отметить, что впервые идея о лазере на свободных электронах была высказана ещё в 1933 году Капицей Петром Леонидовичем и Дираком. Они рассмотрели теоретическую задачу рассеяния электрона на стоячей световой волне. По существу, это что-то вроде ондулятора. И тогда уже предсказали, что в такой системе возможно усиление этой волны за счет электронного пучка, взаимодействующего со стоячей волной.

У лазера на свободных электронах есть ещё одно преимущество.

Дело в том, что атом создан природой, частоты, на которых он излучает, фиксированы. Мы не можем залезть в структуру атома и изменить его частоты. А здесь мы можем перестраивать частоты, изменяя энергии электронов, меняя напряженности макроскопических полей (это в наших силах), то есть мы можем получать излучение на разных участках спектра.

Но, правда, есть и большой минус. Пучки электронов, к сожалению, значительно менее плотные, чем в лазерах на связанных электронах, и мощности всё же маловато здесь получается.

А.Г. Но зато это источник когерентного излучения.

В.Х. Да, да.

В.М. Это встроенные устройства для источников третьего поколения. Это то, что в Дубне строится, они начинают не с кольца накопителя, а с линейного ускорителя на выходе, которого стоит лазер на свободных электронах.

А здесь на картинке то, что было в «Курьере ЦЕРНа» рядом с маленьким синхротроном. Это современный европейский источник СИ, общеевропейский. Видите, рядом с ним маленькие автомобильчики? Это уже рентгеновский источник гигантских размеров. На нижнем рисунке показано, как с орбиты выводятся каналы синхротронного излучения. Это рентгеновский эксперимент. Двинемся дальше, чтобы успеть рассказать немножко про применение. Кому сказать, чтобы…

На следующем слайде показано, как выходит из поворотного магнита излучение, оно голубенькое, а дальше – биозащита. В рентгеновском источнике нужна, конечно, биозащита. На этом слайде показано, в каких областях применяют синхротронное излучение: в биологии, в литографии, в физике, в медицине…

А.Г. Это излучение, по сути дела, заменяет источники рентгеновского излучения.

В.М. Да, конечно, в молекулярной биологии, для рентгеноструктурных исследований белков размером в один ангстрем. Начиналось-то всё с твердого тела, а сейчас много работ по биологии. И у нас в стране есть группа, в Пущено, которая успешно этим занимается (А.А. Вазина). Применение для микролитографии, для микроэлектроники. Физика, конечно, тоже есть, про неё пока не будем.

А вот очень интересное применение в медицине. Казалось бы, почему такое сильное рентгеновское излучение в медицине, в диагностике, оказывается менее вредным, менее опасным, чем обычная трубка? С трубками используют весь спектр, а здесь можно использовать монохроматическое. Поэтому в интеграле радиационные нагрузки в сотни раз уменьшаются.

Следующий рисунок из немецкой книги про синхротронное излучение. Авторы пишут, что Ньютон ничего не знал о синхротронном излучении. Но то, что он открыл – дисперсия света – используется практически во всех спектральных приборах, которые устанавливаются в камерах синхротронного излучения. Вообще-то здесь специфика определения есть, очень много преимуществ, потому что параллельный пучок можно сразу ставить дифракционную решетку без входного коллиматора.

Пример на слайде – наша установка в Курчатовском институте для вакуумного ультрафиолета. А вот применение в медицине. Пациент сидит в кресле, которое перемещается по вертикали. Здесь показан пример двухцветной рентгеновской диагностики. Из ондулятора выходит излучение, два рентгеновских монохроматора дают разные длины волн. Одна длина волны – до максимума поглощения контрастора, который ввели. А другая – в максимуме контрастора. А дальше компьютер обрабатывает результаты, и на снимке остаются только сосуды. В Америке эта диагностика уже широко применяется.

А.Г. Но такой диагностический центр должен быть привязан, так или иначе, к синхротрону.

В.М. Да. Но в Японии их больше 20, там нет проблем, скорее труднее трубку поставить. Конечно, важно, что радиационные нагрузки меньше, а разрешение намного лучше.

Можно следующую картинку. Это перечисление других применений синхротронного излучения. Это и инвазивная ангегеография, и диагностика остеохондроза. Здесь, показано, как меняется структура костей у человека. Сначала кость крепкая, а потом она превращается в некую сетку. Причем это анимация, где видно, как это происходит, а снято всё на синхротроне.

Следующую картиночку. Здесь показано, что при исследовании синхротронным излучением твердого тела можно получить электроны с глубоких уровней. Это рентгеновские люминофоры, а дальше сцинтилляторы, то, что нужно для ядерной физики. Получается такой круг: сначала это излучение было для ядерной физики вредным, потом его стали применять. Теперь синхротронное излучение дает полезные результаты для ядерной физики, сцинтилляторы ведь для нее нужны.

А.Г. От вредного до необходимого.

В.М. Следующую картинку можно? Это пример наш. Мы исследовали вольфрамат свинца – это сцинтиллятор, который устанавливается в ЦЕРНе, в новом коллайдере, в двух детекторах. И там была та проблема, что не видели короткую компоненту. На синхротронном излучении был получен спектр возбуждения, было показано, что можно использовать очень короткое свечение экситона, и этот кристалл может работать как очень хороший сцинтиллятор. Синхротронное излучение позволило получить такой результат, а дальше они устанавливаются. На слайде детектор и для масштаба – человечек, я не знаю, видно человечка, это точка такая серая?

А.Г. Да, да, видно.

В.М. Высота в семиэтажный дом, таков размер детектора. Видно кольцо сиреневое – это сцинтилляторы.

А.Г. Тут возникает вопрос. Понятно, что в квантовой механике, в исследовании микромира, это может помочь очень сильно. А в наблюдательной астрономии?

В.М. В наблюдательной астрономии тоже. Черепащук не рассказывал, что они наблюдают объекты, которые могут излучать магнитно-тормозное излучение? В своей книге по астрофизике В.Л. Гинзбург много говорит о магнитотормозном излучении.

В.Х. Говорят, что напряженность магнитного поля нейтронной звезды (пульсара) была измерена благодаря регистрации синхротронного излучения электронов, движущихся в магнитном поле пульсара. Более точно, вблизи поверхности пульсара движение электронов вдоль силовых линий магнитного поля релятивистское, а в перпендикулярной силовым линиям плоскости – нерелятивистское. То есть вблизи пульсара, электроны излучают на циклотронной частоте (определяемой напряженностью магнитного поля) плюс релятивистский сдвиг частоты за счет эффекта Допплера. Поэтому по частотам электромагнитного излучения, приходящего от пульсара и регистрируемого на Земле, можно измерить напряженность магнитного поля нейтронной звезды.

А.Г. Теперь я начинаю понимать, почему это называется «светом будущего». Потому что это проникло во все области, которые интересуют физиков.

В.М. Да, а это археология, это древняя греческая ваза в манчестерском музее. Подозревали, что верхняя и нижняя части – разного происхождения. Провели исследование с помощью синхротронного излучения и показали, что всё-таки эти части одного происхождения.

Археология очень много использует сейчас это излучение. В Англии в позапрошлом году была конференция «Синхротронное излучение в археологии». Это очень точный элементный анализ, который не разрушает объект. Просто светишь синхротронным излучением и смотришь рентгеновский спектр. Совершенно не нужно даже соскребывать что-то, в искусствоведении даже применяется.

А.Г. Да, да, в той же самой иконописи, когда записывались одни сюжеты под другими, можно разглядеть скрытый слой…

В.М. Пример из Германии недавний. Они анализировали гравюру Дюрера, там со временем идет накопление ртути, и исследование показало, что кусочек был дорисован. Я слышал эту историю от директора нового берлинского источника.

И, наконец, красным показано то, что будет в Дубне. Это источник третьего поколения. Если мы источник в Дубне все-таки построим, то отставания у нас не будет. Мы в России изобрели этот источник, открыли его здесь, очень долго держались впереди, а теоретики наши всегда держатся в передовых, никто их не обгоняет.

В.Х. Еще необходимо рассказать про эффект самополяризации.

В.М. Вот под последнюю картинку, на которой изображена схема нового Дубненского источника синхротронного излучения, можно рассказать про эффект Соколова–Тернова.

В.Х. Тем более что прошло ровно 40 лет, в 1963 году этот эффект был предсказан. Здесь речь, собственно, не о применении синхротронного излучения, а я бы сказал, о фундаментальности его. Очень мало у нас явлений, которые, так или иначе, могут подтвердить правильность теоретических расчетов. Их можно перечислить по пальцам, скажем, квантовая электродинамика, прекрасная наука, можно хорошо считать. Потому что там константа взаимодействия мала, можно считать по теории возмущений. Есть эффект Лэмба, поляризация вакуума, аномальный магнитный момент – всё.

Так вот, оказывается, синхротронное излучение – благодаря Соколову и Тернову, которые в 63-м году открыли эффект самополяризации электронов – дает возможность, если угодно, проверить правильность наших теоретических умозаключений, правильность наших расчетов по квантовой электродинамике. Оказывается, синхротронное излучение существенно влияет на свойства самого электрона, на состояние электрона.

Как происходит эффект самополяризации? Кроме, значит, импульса и энергии, которые характеризуют состояние электрона, есть ещё такое квантовое число, как спин. Когда электрон движется по равновесной орбите в накопительном кольце, он может излучить фотон и перейти в низшее состояние, как с переворотом спина, так и без переворота спина. Вероятность перехода электрона в низшее состояние без переворота спина для современных накопителей примерно в миллиард раз больше, чем вероятность перехода с переворотом спина.

Благодаря тому, что в дуантах, о которых говорил Виталий Васильевич, есть электрическое поле, которое возвращает электрон ровно на ту же самую орбиту, по которой он двигался до излучения фотона… Представьте себе сгусток (пучок), состоящий из миллиарда электронов. Миллиард минус один электрон, излучив фотоны, перешли в низшее состояние без переворота спина, и только один электрон – с переворотом спина, то есть начальное спиновое состояние этого электрона изменилось. Затем все без исключения электроны вернулись в начальное энергетическое состояние за счет электрического поля накопителя. Очень важно, что электрическое поле компенсирует потери энергии электрона, но не меняет его спиновое состояние. И если такой сгусток электронов держать примерно в течение часа на равновесной орбите накопителя, то все электроны, в конце концов, согласно законам квантовой механики (а это вероятностная наука) должны перейти в такое состояние, в котором их спины будут направлены ровно против магнитного поля. Это уникальное явление.

Во-первых, оно дает возможность подтвердить, что квантовая электродинамика, которая была построена Швингером, Томанагой, Фейнманом – совершенно правильна, она работает идеально, по крайней мере, в низших порядках теории возмущений. И второе, уже с точки зрения применения, этот эффект дает возможность получать поляризованные пучки электронов, что важно уже для дальнейших экспериментов. Этот эффект авторами был назван эффектом самополяризации, его часто также называют эффектом радиационной поляризации. Потому что этот эффект происходит за счет излучения фотонов электронами.

В.М. В мире его называют эффект Соколова-Тернова.

В заключение, на слайде схема Дубненского источника синхротронного излучения – ДЭЛСИ, который сейчас строится. Линейный ускоритель собирается прямо сейчас. Многие узлы привезены из Голландии. Я надеюсь, что он скоро заработает. Это будет источник третьего поколения. Это – будущее, и разумно, что это будет в Дубне.

А.Г. Будем надеяться, что будет, несмотря на то, что у нас происходит…