Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 35
- Какие были этапы создания ЛСЭ в ИЯФ СО РАН?
- Мы делали различные модификации магнитной системы ЛСЭ на накопители ВЭПП-3. В процессе работы было предложено несколько вариантов ондуляторов, и те технические решения, которые мы внедрили, используются сейчас и для рентгеновского излучения. То есть, попутно были еще разработаны разные новые типы ондуляторов, которые потом оказались полезными для генерации рентгеновского излучения (спонтанного излучения на накопителях).
После была большая модернизация накопителя ВЭПП-3, и тогда, уже на модернизированном накопителе, был построен новый ЛСЭ, на котором было получено ультрафиолетовое излучение с рекордно короткой (на тот момент) длиной волны. На этой установке мы поставили несколько экспериментов по работе разных модификаций ЛСЭ, а потом эта программа была исчерпана, так как мы сделали почти все, что хотели.
- Какое еще может быть применение у ондулятора?
- Мы поставили интересный эксперимент по наблюдению движения одного электрона в накопителе. Оказалось, что излучение из нашего ондулятора настолько интенсивно, что можно увидеть даже один-единственный электрон.
Тогда мы запустили в накопитель всего один электрон, измерили его координаты в разные моменты времени и построили график зависимости координаты (продольной) электрона от времени. Оказалось, что электрон движется так, как если бы на него действовала некая случайная сила, то есть его движение напоминало броуновское движение частицы в жидкости. Это неудивительно, так и предсказывалось квазиклассической теорией квантовых флуктуаций синхротронного излучения.
Эксперименты с единичным микрообъектом (ионом в специальной ловушке) проводились и раньше. Но в нашем случае на электрон не действовали никакие случайные силы, так как электрон двигался в регулярных полях. Поэтому в нашем случае движение электрона было истинно случайным.
В каком смысле случайным? Когда в начале прошлого века изучали поведение частицы в жидкости, видели, что эта частица движется хаотически. Тогда ученые объяснили, что она так дрожит, потому что отдельные молекулы жидкости ударяют ее, причем молекул много, и движение частицы непредсказуемо, так как мы не видим положения этих молекул. Но если бы мы увидели их, то могли бы предсказать их движение и броуновское движение частицы, помещенной в жидкость. То есть такое движение не является истинно случайным.
В отличие от этого движение электрона в накопителе является истинно случайным, потому что там нет никаких микрочастиц, которые его ударяют, и все начальные условия и поля известны. Когда речь идет о квантовой механике, часто приводят высказывание Эйнштейна «Бог не играет в кости», так вот наш эксперимент — это прямая демонстрация того, что «Бог играет в кости», в том смысле что это истинно случайный процесс: движение электрона мы принципиально не можем предсказать. Причем, оно классическое.
Это никак не связано с квантовыми измерениями, это просто случайная кривая. Так что при помощи хорошего длинного ондулятора, который мы сделали, мы смогли поставить эти эксперименты на накопителе.
- Почему для него нужен специальный ускоритель, и каким он должен быть?
- Еще до того, как мы начали делать эксперименты на накопителе ВЭПП-3, были проведены оценки, которые показали, что в электронном накопителе нельзя получить большую мощность излучения.
Кроме того, у ЛСЭ есть одна особенность. Доля мощности электронного пучка, которая преобразуется в излучение, довольно мала. Как правило, это не более 1 %. То есть мы можем преобразовать всего 1% мощности электронного пучка в мощность электромагнитного излучения, а 99 % остаются в электронном пучке.
Естественно, надо пытаться вернуть эту мощность назад в ускоритель. В технике этот прием известен как рекуперация энергии — возврат энергии, которая была куда-то вложена, обратно в ту систему, которая ее вложила. Было предложено использовать для этого ускорители-рекуператоры.
В таких ускорителях электронный пучок ускорятся в высокочастотных резонаторах, затем отдает часть энергии в ЛСЭ, а потом снова посылается в те же высокочастотные резонаторы, но там уже замедляется. При этом он возвращает в резонаторы ту энергию, которая не была использована.
Кроме того, что это экономит энергию, это еще и очень сильно снижает радиационную опасность установки. Почему? Потому что если электроны на высокой энергии сбрасывать на какой-то поглотитель (мишень), из этой мишени будет выходить гамма-излучение.
А если энергия электронов составляет сотню МэВ, и мощность электронного пучка велика, то и мощность гамма-излучения и энергия этих фотонов, или гамма-квантов, будут очень высокими.
В результате могут появляться относительно долгоживущие изотопы, это неприятно, это и есть радиационная опасность. Если же мы замедляем электронный пучок и сбрасываем его в поглотитель с относительно низкой энергией (энергия должна быть меньше 10 МэВ), тогда никаких долгоживущих изотопов не образуется, установка становится радиационно-безопасной после того, как ее выключили. Поэтому для ускорителей электронов с энергией выше и ниже 10 МэВ санитарные нормы и правила разные.
- Как началось создание мощного ЛСЭ Сибирского центра фотохимических исследований?
- Итак, использование ускорителей-рекуператоров для мощных ЛСЭ было очень желательно. В 80х гг мы стали проектировать такой ускоритель, для него понадобились новые технические решения: высокочастотные резонаторы, специальные магниты. И в начале 90х гг мы подготовили проект такого ускорителя. Следующим шагом стал поиск помещения.
Мы связались с руководством Института химической кинетики и горения СО РАН, а там уже много лет работала лаборатория лазерной фотохимии, руководителем которой был профессор Александр Константинович Петров.
Они изучали изменения химических процессов под действием лазерного излучения. Лазерный свет может действовать как катализатор, реакции происходят совсем по-другому. Кроме того, можно заниматься разделением изотопов, то есть выделять нужные изотопы из смеси. Этим и занималась лаборатория лазерной фотохимии Института химической кинетики и горения.
Поэтому к нам пришли академик Юрий Николаевич Молин, который был тогда директором института, и А. К. Петров. Со стороны ИЯФ в этих обсуждениях участвовали наш директор академик Александр Николаевич Скринский, заведующий нашей лабораторией Геннадий Николаевич Кулипанов, Александр Данилович Орешков и я.
В ходе этого разговора мы выяснили, что если бы у них был мощный лазер с перестраиваемой длиной волны, то они смогли бы существенно расширить свои исследования. Потому что до этого они пользовались несколькими лазерами, самым хорошим из которых был лазер на окиси углерода. Он имеет длину волны 10,6 мкм. Для того чтобы с ним работать, химики специально синтезировали молекулы, у которых переходы лежали именно в этой области.
Кроме того, от других программ у них остался специальный корпус, помещение, где можно было расположить ускоритель. Мы договорились, что ИЯФ в этом помещении построит установку, которая потом будет использоваться ими и другим институтами и научными учреждениями.
В 90х гг. началось строительство ЛСЭ. Оно шло довольно долго, потому что сначала нужно было подготовить помещение и изготовить необходимые компоненты. Наш ЛСЭ заработал в 2003 году. Примерно через год мы сделали каналы вывода излучения, ведь продукт нужно поставлять потребителю, а через два года у нас начали работать первые пользователи.
Вывод излучения из ускорительного зала осложнялся тем, что субмиллиметровое излучение плохо проходит через воздух. Чтобы решить эту проблему, нужно было сделать специальную магистраль, заполненную сухим азотом, специальную оптику, которая правильно фокусирует излучение.
Все это было сделано, заработала первая очередь нашей установки — ЛСЭ, который генерирует излучение в диапазоне длин волн от 110 до 240 мкм. С тех пор он работает, и наши пользователи получают свои научные результаты. Средняя мощность излучения — 0,5 кВт, а пиковая — около 1 МВт. В 2008 г. мы достроили наш ускоритель-рекуператор, добавив к магнитной системе еще два электроннооптических канала. С их помощью мы дважды ускоряем электроны, а затем дважды замедляем использованный электронный пучок.
Кстати, это — первый в мире «многопроходный» ускоритель-рекуператор. В 2009 г. мы запустили второй ЛСЭ. Он использует электроны с удвоенной (по сравнению с первым ЛСЭ) энергией и, вследствие этого, работает в более коротковолновом диапазоне длин волн — 50-80 микрон, со средней мощностью 0,5 кВт. В 2010 г. мы вывели излучение нового ЛСЭ на существующие пользовательские станции.
