Електрон стріляє на льоту, Наука та життя

  • наука

Журнал додано до кошика.

Електрон стріляє на льоту

Р. Сворень, спеціальний кореспондент журналу "Наука і життя".

Почати краще із звичайних лазерів, які так і хочеться назвати лазерами на зв'язаних електронах. Тут головна дійова особа - атоми (молекули) активної речовини, наприклад, рубіну, неодимового скла або вуглекислого газу. Ці атоми - елементарні випромінювачі, вони й створять в результаті лазерний промінь, викидаючи дрібні порції електромагнітного випромінювання, зокрема кванти світла. Про лазерах так багато і так докладно розказано в популярних виданнях, що можна, мабуть, без пояснень і в досить вільному стилі перерахувати деякі їх особливості, суттєві для подальшої розповіді:

щоб атом-випромінювач випромінював, його треба, так би мовити, накачати енергією;

енергію для накачування дає зовнішнє джерело, наприклад, потужна лампа;

в результаті накачування загальний запас енергії в атомі підвищується, найчастіше це проявляється в тому, що електрон або електрони переходять на далеку від ядра орбіту (див. рис. 1 на кольоровій вкладці);

повертаючись у вихідний стан, атом повертає отриману енергію - викидає, вистрілює квант випромінювання; Чесно кажучи, атом спочатку перетворюється на деякий проміжний стійкий стан (на метастабільний енергетичний рівень), що у рис. 1а для спрощення не показано;

чим більше енергія, яку взяв у позику, а потім повернув атом, тим, природно, більша енергія випромінюваного кванта;

а що більше енергія кванта, то вище частота випромінювання (коротше довжина хвилі): енергія квантів синього світла, наприклад, набагато більше, ніж енергія квантів червоного світла, значно більш низькочастотного (більш довгохвильового);

найважливішу роль роботі лазера грає процес індукованого випромінювання: який-небудь «накачанный» атом може випадково викинути свій квант, і він, пройшовши через сусідні атоми, і змусить викинути свої кванти, а ті, своєю чергою, приведуть у дію своїх сусідів і їх змусять віддати запасену енергію - випромінювання породжує випромінювання, процес розвивається лавиноподібно;

щоб посилити цей процес, використовують дзеркала, вони концентрують випромінювання в активному середовищі; одне із дзеркал напівпрозоре, воно випускає лазерний промінь назовні (рис. 2);

як правило, атоми певного сорту запасають строго певну порцію енергії, а отже, стріляють абсолютно однаковими квантами; з цим пов'язана найважливіша перевага лазерного випромінювання - воно монохромне, має одну строго певну частоту, один чистий, без домішок колір;

вирішальна перевага лазерного променя - когерентність: атоми-випромінювачі викидають свої кванти узгоджено, синхронно, і всі ці мікровипромінювання складаються в єдиний когерентний промінь;

формуванню монохромного когерентного випромінювання допомагають дзеркала, між ними суворо певну відстань, на якій укладається ціле число напівхвиль; тому дзеркала утворюють резонансну систему, налаштовану точно на частоту, що випромінюється.

Спростивши картину, вважатимуться, що джерело лазерного випромінювання — електрон: перескакуючи під впливом накачування більш далеку орбіту, він збільшує свій запас енергії, а повертаючись назад, віддає борг як кванта електромагнітного випромінювання. Це — випромінювання пов'язаного електрона, всі свої дії він здійснює в межах атома, не втрачаючи зв'язку з ядром.

Але те саме може зробити і вільний електрон. Потрібно лише якимось способом збільшити його енергію і створити умови, за якихяких він у відповідний момент її поверне.

Що ж до збільшення енергії вільного електрона, це давно вирішене завдання. Можна, наприклад, розігнати електрон прискорюючим електричним полем, його різниця потенціалів входить, до речі, в одиницю вимірювання енергії частинок - електрон-вольт, еВ; прискорюючись, у полі з різницею потенціалів 1, електрон набуває енергію 1 еВ; в радіолампі енергія електронів 200-300 еВ, у телевізійній трубці 15-20 кеВ.

Щоб відібрати у вільного електрона частину енергії, змусити його випромінювати, потрібно якось пригальмувати частинку, порушити її рівномірний прямолінійний рух. Для цього, зокрема, можна, як ще в 1947 запропонував В. Л. Гінзбург, пропустити потік електронів через ондулятор, через магнітне поле складної конфігурації, взаємодіючи з яким, електрони коливатимуться і випромінювати (мал. За). Можна відібрати у електрона енергію, використовуючи зворотний комптон-ефект: кванти малої енергії, порівняно довгохвильові, зіткнувшись з електроном і отримавши від нього деяку порцію енергії, стають більш енергійними, короткохвильовими (мал. Зв.). Електрон може гальмуватися і випромінювати при переході з одного середовища до іншого (рис. 3б) - це так зване перехідне випромінювання. Випромінює електрон і під час руху в гофрованому хвилеводі (рис. Зг), коли частка, подібно до автомобіля на вибитій дорозі, коливається на «нерівностях» електромагнітного поля. Подібний ефект виникає при русі електрона над дифракційними гратами (рис. Зд).

Одним словом, накачати вільний електрон енергією, а потім відібрати її у вигляді квантів випромінювання неважко. І вже давно збудовано прилади, де від потоку прискорених вільних електронів одержують так зване ондуляторне випромінювання (рис. 4). У типовому випадкуелектрони, по-різному пригальмовуючись і переміщаючись у магнітному полі ондулятора, літають стріляють квантами різної енергії, тобто дають випромінювання різних частот. Так що прилад, спрощено показаний на малюнку, це вже генератор на вільних електронах, але ще не ЛСЕ, ще не лазер.

Але чи взагалі можна створити ЛСЕ? Чи можна отримати когерентне випромінювання від вільних електронів, які не знають такого суворого порядку, як електрони пов'язані, які в атомі можуть перебувати тільки на певних стійких орбітах, і саме тому випромінюють кванти строго певної енергії? Відповідь на ці питання цілком певна — так, можна. Важливий внесок в обґрунтування такої можливості було зроблено півстоліття тому, коли самих лазерів не було й близько — П. Л. Капіца та його тодішній співробітник Поль Дірак показали, що не тільки в системі атомів та молекул, а й у потоці вільних електронів можливо індуковане випромінювання, можлива поява лавини квантів, що синхронно діють. А порівняно недавно були проведені експерименти, щоправда, поки що нечисленні, в яких досить щільний потік сильно прискорених електронів, введений в резонансну систему з двох дзеркал, поєднану з ондулятором, реально давав імпульси когерентного, тобто лазерного, випромінювання (рис. 5) в інфрачервоному діапазоні. Збільшивши початкову енергію електронів у такій системі та змінивши частоту налаштування дзеркального резонатора, можна було б збільшити частоту випромінювання (рис. 6).

Цілком природною реакцією на ці експерименти має бути пропозиція якнайшвидше приступити до серійного випуску ЛСЕ, частоту яких можна в широких межах змінювати поворотом ручки, подібно до того, як ми змінюємо частоту налаштування приймача. Сьогодні відповіддю на таку пропозицію можуть бути застережливі «Все не так просто.» і підбадьорювальне «Не так вже й складно. ».

Все не так просто з багатьох причин. Зокрема, тому що у ЛСЕ прискорювати електрони потрібно до високих енергій, до десятків та сотень МеВ; при цьому частинки стають релятивістськими, їх швидкість близька до швидкості світла, а маса значно більша за масу спокою 0,5 МеВ); потоком електронів, інший з дуже сильним, кілька тисяч ампер; досить малий поки коефіцієнт корисної дії ЛСЕ; потрібні серйозні дослідження фізичних процесів у ЛСЕ, таких як колективні дії електронів у сильноточних лазерах, підвищення частоти випромінювання за рахунок доплерівського ефекту, плазмові ефекти в електронних пучках. Одним словом, і теоретикам і експериментаторам належить, мабуть, чимала робота, щоб від красивої ідеї і перших експериментів, що її підкріпили, дійти діючих, а тим більше серійних приладів.

У той же час все не так уже й складно тому, що фізики та інженери мають вже багатий досвід створення ЛСЕ, або, точніше, МСЕ (мазерів) та інших генераторів когерентного випромінювання радіодіапазону на вільних електронах. Чи дійсно є широко поширений ламповий генератор (зараз лампу замінив транзистор) з коливальним контуром? Це пристрій, де потік вільних електронів формується в лампі і віддає енергію в контурі, у результаті створюються електромагнітні коливання однієї певної частоти. Багато в чому схожі на ЛСЕ такі генератори радіохвиль, як магнетрон, клістрон або лампа хвилі, що біжить. У магнетроні випромінювання народжується потоком вільних електронів прямо в об'ємному резонаторі, що дуже нагадує дзеркальну систему лазера. Ідуже мало відрізняються від ЛСЕ — головна відмінність лише у випромінюваної частоті! — створені горьківськими, томськими та московськими радіофізиками різноманітні генератори міліметрових та сантиметрових хвиль: убітрони, гірротони, монотрони, твістрони, скаттрони та інші прилади високочастотної релятивістської електроніки. На знімку внизу ви бачите один з них - це карсиротрон, генератор радіохвиль довжиною близько 3 см, потужністю кілька сотень мегават при ккд більше 10%. У цьому приладі є і прискорювач електронів, і гофрований хвилевід, і дві області, що діють як дзеркала лазера. Такі прилади, давно створені і застосовувані, нагадують, що правильно, мабуть, говорити не про проблему створення ЛСЕ, а про реалізацію в них нових фізичних процесів і освоєння нових діапазонів. Тож наведена фотографія цілком може відігравати роль оптимістичної кінцівки нашої розповіді.