Физика ускорителей: эксперимент открывает новые возможности для источников синхротронного света

Самые современные источники света для исследований основаны на ускорителях частиц. Это большие установки, в которых ускоряются почти до скорости света, а затем излучают световые импульсы особого характера. В источниках синхротронного излучения на основе накопительного кольца электронные сгустки перемещаются по кольцу на миллиарды оборотов, а затем генерируют быструю последовательность очень ярких световых импульсов в отклоняющих магнитах. Напротив, сгустки электронов в лазерах на свободных электронах (ЛСЭ) ускоряются линейно, а затем излучают одну сверхъяркую вспышку лазерного света. Источники накопительного кольца, а также источники ЛСЭ способствовали достижениям во многих областях в последние годы, от глубокого понимания биологических и медицинских вопросов до исследования материалов, развития технологий и квантовой физики.


Теперь китайско-немецкая команда показала, что в источнике синхротронного излучения можно генерировать последовательность импульсов, сочетающую в себе преимущества обеих систем. Синхротронный источник доставляет короткие интенсивные микрогранулы электронов, которые производят импульсы излучения, имеющие лазерный характер (как в случае с ЛСЭ), но которые также могут точно следовать друг за другом (как в случае с синхротронными источниками света).

Идея была разработана около десяти лет назад под крылатой фразой «Устойчивое микрогруппирование» (SSMB) ведущим теоретиком ускорителей Александром Чао и его аспирантом Дэниелом Ратнером из Стэнфордского университета. Этот механизм также должен позволять накопительным кольцам генерировать световые импульсы не только с высокой частотой повторения, но и в виде когерентного излучения, например, лазера. Молодой физик Сюцзе Дэн из Университета Цинхуа в Пекине использовал эти идеи в своей докторской работе и исследовал их теоретически. В 2017 году Чао установил контакт с физиками-ускорителями в HZB, которые эксплуатируют метрологический источник света (MLS) в PTB в дополнение к источнику мягкого рентгеновского излучения BESSY II в HZB. MLS — первый в мире источник света, оптимизированный по конструкции для работы в так называемом «низко-альфа-режиме». В этом режиме электронные сгустки могут быть значительно сокращены. Ученые постоянно разрабатывают этот особый режим работы более 10 лет. «В результате этой опытно-конструкторской работы мы смогли выполнить сложные физические требования для эмпирического подтверждения принципа SSMB на MLS», — объясняет Маркус Райс, эксперт по ускорителям в HZB.

«Теоретическая группа в группе SSMB определила физические граничные условия для достижения оптимальной производительности на подготовительном этапе. Это позволило нам сгенерировать новые состояния машины с помощью MLS и отрегулировать их вместе с Дэном до тех пор, пока мы не сможем обнаруживать искомые последовательности импульсов », — сообщает Йорг Фейкс, физик-ускоритель HZB. Специалисты HZB и PTB использовали оптический , световая волна которого была связана с точной пространственной и временной синхронизацией с электронными сгустками в MLS. Это модулировало энергии электронов в сгустках. «Это приводит к тому, что электронные сгустки длиной в несколько миллиметров разделяются на микроблочки (длиной всего 1 мкм) после ровно одного оборота в накопительном кольце, а затем испускают световые импульсы, которые когерентно усиливают друг друга, как в лазере, «- поясняет Йорг Фейкс. «Эмпирическое обнаружение когерентного излучения было далеко не простым, но наши коллеги из PTB разработали инновационный оптический блок обнаружения, с помощью которого обнаружение было успешным».

«Изюминкой будущих источников SSMB является то, что они генерируют также за пределами видимого спектра« света », например, в диапазоне EUV», — комментирует профессор Матиас Рихтер, руководитель отдела PTB. И Райс подчеркивает: «На заключительном этапе источник SSMB мог бы обеспечить нового характера. Импульсы бывают интенсивными, сфокусированными и узкополосными. Они сочетают в себе преимущества синхротронного света с преимуществами, так сказать, импульсов FEL. . » Фейкс добавляет: «Это излучение потенциально подходит для промышленного применения. Первый источник света на основе SSMB, специально предназначенный для применения в литографии EUV, уже находится на стадии планирования недалеко от Пекина».

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments