Электрон стреляет на лету
Р. Сворень, специальный корреспондент журнала «Наука и жизнь».
Наши французские коллеги в журнале «Сьянс э ви» («Наука и жизнь») объявили эту тему красиво и ярко: «Вся радуга — из одного лазера». И дальше, сравнив современные лазеры, излучающие каждый на своей частоте, с народами, которые географически живут рядом, но не могут найти общий язык, сообщили о работах по созданию своего рода лазерного эсперанто — установки, которая одна сможет перекрыть огромный частотный диапазон, чуть ли не от рентгеновских лучей до радиоволн. Эта установка — лазер на свободных электронах, или, согласно узаконенному уже сокращению,— ЛСЭ. А вот еще одна встреча с темой — статья «Взаимодействие электронов с электромагнитным полем в ЛСЭ», недавно опубликованная в журнале «Успехи физических наук». По верным адресам, по списку литературы, приведенному в конце этой публикации, мы находим физиков из числа тех, кто занимается проблемой ЛСЭ — Анри Амвросьевича Рухадзе и Михаила Васильевича Федорова,— и из их коротких рассказов создается это совсем уже короткое пояснение, касательно нового для широкой публики предмета.
Начать лучше с обычных лазеров, которые так и хочется назвать лазерами на связанных электронах. Здесь главное действующее лицо — атомы (молекулы) активного вещества, например, рубина, неодимового стекла или углекислого газа. Эти атомы — элементарные излучатели, они и создадут в итоге лазерный луч, выбрасывая мельчайшие порции элекромагнитного излучения, в частности кванты света. О лазерах так много и так подробно рассказано в популярных изданиях, что можно, видимо, без пояснений и в достаточно вольном стиле перечислить некоторые их особенности, существенные для дальнейшего нашего рассказа:
чтобы атом-излучатель излучал, его нужно, так сказать, накачать энергией;
энергию для накачки дает внешний источник, например, мощная лампа;
в результате накачки общий запас энергии в атоме повышается, чаще всего это проявляется в том, что электрон или электроны переходят на более далекую от ядра орбиту (см. рис. 1 на цветной вкладке);
возвращаясь в исходное состояние, атом возвращает полученную энергию — выбрасывает, выстреливает квант излучения; строго говоря, атом сначала переходит в некоторое промежуточное устойчивое состояние (на метастабильный энергетический уровень), которое на рис. 1а для упрощения не показано;
чем больше энергия, которую взял взаймы, а затем вернул атом, тем, естественно, больше энергия излучаемого кванта;
а чем больше энергия кванта, тем выше частота излучения (короче длина волны): энергия квантов синего света, например, намного больше, чем энергия квантов красного света, значительно более низкочастотного (более длинноволнового);
важнейшую роль в работе лазера играет процесс индуцированного излучения: какой-нибудь «накачанный» атом может случайно выбросить свой квант, и он, пройдя через соседние атомы, и их заставит выбросить свои кванты, а те, в свою очередь, приведут в действие своих соседей и их заставят отдать запасенную энергию — излучение порождает излучение, процесс развивается лавинообразно;
чтобы усилить этот процесс, используют зеркала, они концентрируют излучение в активной среде; одно из зеркал полупрозрачное, оно выпускает лазерный луч наружу (рис. 2);
как правило, атомы определенного сорта запасают строго определенную порцию энергии, а значит, стреляют совершенно одинаковыми квантами; с этим связано важнейшее достоинство лазерного излучения — оно монохромно, имеет одну строго определенную частоту, один чистый, без примесей цвет;
решающее достоинство лазерного луча — когерентность: атомы-излучатели выбрасывают свои кванты согласованно, синхронно, и все эти микроизлучения складываются в единый когерентный луч;
формированию монохромного когерентного излучения помогают зеркала, между ними строго определенное расстояние, на котором укладывается целое число полуволн; поэтому зеркала образуют резонансную систему, настроенную точно на излучаемую частоту.
Упростив картину, можно считать, что источник лазерного излучения — электрон: перескакивая под действием накачки на более далекую орбиту, он увеличивает свой запас энергии, а возвращаясь обратно, отдает долг в виде кванта электромагнитного излучения. Это — излучение связанного электрона, все свои действия он производит в пределах атома, не теряя связи с ядром.
Но ведь то же самое может сделать и свободный электрон. Нужно лишь каким-то способом увеличить его энергию и создать условия, при которых он в соответствующий момент ее вернет...
Что касается увеличения энергии свободного электрона, то это давно решенная задача. Можно, например, разогнать электрон ускоряющим электрическим полем, его разность потенциалов входит, кстати, в единицу измерения энергии частиц — в электрон-вольт, эВ; ускоряясь, в поле с разностью потенциалов 1 В, электрон приобретает энергию 1 эВ; в радиолампе энергия электронов 200—300 эВ, в телевизионной трубке 15—20 кэВ.
Чтобы отобрать у свободного электрона часть энергии, заставить его излучать, нужно как-то притормозить частицу, нарушить ее прямолинейное равномерное движение. Для этого, в частности, можно, как еще в 1947 году предложил В. Л. Гинзбург, пропустить поток электронов через ондулятор, через магнитное поле сложной конфигурации, взаимодействуя с которым, электроны будут колебаться и излучать (рис. За). Можно отобрать у электрона энергию, используя обратный комптон-эффект: кванты малой энергии, сравнительно длинноволновые, столкнувшись с электроном и получив от него некоторую порцию энергии, становятся более энергичными, более коротковолновыми (рис. Зв). Электрон может тормозиться и излучать при переходе из одной среды в другую (рис. 3б) — это так называемое переходное излучение. Излучает электрон и при движении в гофрированном волноводе (рис. Зг), когда частица, подобно автомобилю на выбитой дороге, колеблется на «неровностях» электромагнитного поля. Подобный же эффект возникает при движении электрона над дифракционной решеткой (рис. Зд).
Одним словом, накачать свободный электрон энергией, а затем отобрать ее в виде квантов излучения нетрудно. И уже давно построены приборы, где от потока ускоренных свободных электронов получают так называемое ондуляторное излучение (рис. 4). В типичном случае электроны, по-разному притормаживаясь и перемещаясь в магнитном поле ондулятора, на лету стреляют квантами разной энергии, то есть дают излучение разных частот. Так что прибор, упрощенно показанный на рисунке,— это уже генератор на свободных электронах, но еще не ЛСЭ, еще не лазер.
Но можно ли вообще создать ЛСЭ? Можно ли получить когерентное излучение от свободных электронов, не знающих столь строгого порядка, как электроны связанные, которые в атоме могут находиться только на определенных устойчивых орбитах, и именно поэтому излучают кванты строго определенной энергии? Ответ на эти вопросы вполне определенный — да, можно. Важный вклад в обоснование такой возможности был сделан полвека назад, когда самих лазеров не было и в помине — П. Л. Капица и его тогдашний сотрудник Поль Дирак показали, что не только в системе атомов и молекул, но и в потоке свободных электронов возможно индуцированное излучение, возможно появление лавины синхронно действующих квантов. А сравнительно недавно были проведены эксперименты, правда, пока немногочисленные, в которых достаточно плотный поток сильно ускоренных электронов, введенный в резонансную систему из двух зеркал, совмещенную с ондулятором, реально давал импульсы когерентного, то есть лазерного, излучения (рис. 5) в инфракрасном диапазоне. Увеличив начальную энергию электронов в такой системе и изменив частоту настройки зеркального резонатора, можно было бы увеличить и частоту излучения (рис. 6).
Вполне естественной реакцией на эти эксперименты должно быть предложение поскорее приступить к серийному выпуску ЛСЭ, частоту которых можно в широких пределах менять поворотом ручки, подобно тому, как мы меняем частоту настройки приемника. Сегодня ответом на такое предложение могут быть предостерегающее «Все не так-то просто...» и ободряющее «Не так уж все сложно...».
Все не так-то просто по многим причинам. В частности, потому что в ЛСЭ ускорять электроны нужно до высоких энергий, до десятков и сотен МэВ; при этом частицы становятся релятивистскими, их скорость близка к скорости света, а масса значительно больше массы покоя 0,5 МэВ);выявляется сложная зависимость механизмов излучения от энергии частиц и от плотности их потока — уже сейчас обсуждаются два типа ЛСЭ, один со сравнительно слабым потоком электронов, другой с весьма сильным, в несколько тысяч ампер; довольно мал пока коэффициент полезного действия ЛСЭ; требуются серьезные исследования физических процессов в ЛСЭ, таких, как коллективные действия электронов в сильноточных лазерах, повышение частоты излучения за счет доплеровского эффекта, плазменные эффекты в электронных пучках... Одним словом, и теоретикам и экспериментаторам предстоит, видимо, немалая работа, чтобы от красивой идеи и подкрепивших ее первых экспериментов прийти к действующим, а тем более серийным приборам.
В то же время все не так уж сложно потому, что физики и инженеры имеют уже богатый опыт создания ЛСЭ, или, точнее, МСЭ (мазеров) и иных генераторов когерентного излучения радиодиапазона на свободных электронах. Действительно, что есть широко распространенный ламповый генератор (сейчас лампу заменил транзистор) с колебательным контуром? Это устройство, где поток свободных электронов формируется в лампе и отдает энергию в контуре, в результате чего создаются электромагнитные колебания одной определенной частоты. Во многом похожи на ЛСЭ такие генераторы радиоволн, как магнетрон, клистрон или лампа бегущей волны. В магнетроне излучение рождается потоком свободных электронов прямо в объемном резонаторе, очень напоминающем зеркальную систему лазера. И совсем уж мало отличаются от ЛСЭ — главное различие лишь в излучаемой частоте! — созданные горьковскими, томскими и московскими радиофизиками разнообразные генераторы миллиметровых и сантиметровых волн: убитроны, гиротроны, монотроны, твистроны, скаттроны и другие приборы высокочастотной релятивистской электроники. На снимке внизу вы видите один из них — это карсиротрон, генератор радиоволн длиной около 3 см, мощностью в несколько сотен мегаватт при кпд более 10%. В этом приборе есть и ускоритель электронов, и гофрированный волновод, и две области, действующие, как зеркала лазера. Такие приборы, давно созданные и применяемые, как бы напоминают, что правильно, видимо, говорить не о проблеме создания ЛСЭ, а о реализации в них новых физических процессов и освоении новых диапазонов. Так что приведенная фотография вполне может играть роль оптимистической концовки нашего рассказа.
Читайте в любое время
