Российские ученые получили терагерцевое излучение рекордной мощности
Ученые из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН) создали источники терагерцевого излучения, которые показали рекордную мощность в своем частотном диапазоне. Это открытие позволяет России занять лидирующие позиции в малоосвоенной, но перспективной области.
Терагерцевый диапазон (между инфракрасным излучением и микроволнами) долгое время оставался сложным для исследований. Главной проблемой было создание мощных, но при этом компактных источников такого излучения. Существующие установки, как правило, были либо слишком громоздкими, либо не могли обеспечить высокую мощность.
Российским специалистам удалось найти решение, используя два новых подхода. Оба метода основаны на использовании мощных пучков электронов, которые вырабатываются ускорителями ИЯФ СО РАН.
— Первый метод был разработан совместно с коллегами из ИПФ РАН. В нем генерация излучения происходит в вакуумных резонаторах. На установке ЭЛМИ с помощью этого способа удалось получить излучение с длиной волны 4 мм и мощностью около 50 МВт.
— Второй метод — принципиально новый и был предложен и реализован в ИЯФ СО РАН. В нем мощный пучок электронов взаимодействует с плазмой, что снимает ограничения по мощности. На установке ГОЛ-ПЭТ это уже позволило получить излучение с длиной волны около 1 мм и мощностью свыше 10 МВт, что является текущим рекордом для частоты 0.2 ТГц.
По
словам Андрея Аржанникова, способ генерации в вакуумных устройствах, реализованный в рамках совместных работ сотрудников ИЯФ СО РАН и ИПФ РАН, основан на создании двумерно-распределенной положительной обратной связи в электродинамической системе лазера на свободных электронах, использующего пучок с килоамперным током. «Такая положительная обратная связь обеспечивает высокую эффективность генерации ЛСЭ даже тогда, когда поперечный размер его рабочего канала в сто раз больше длины волны излучения, что может гарантировать высокий уровень генерируемой мощности. Этот подход реализован на установке ЭЛМИ, где электронный пучок, генерируемый на ускорителе У-3 в виде тонкой ленты, обеспечил одночастотную генерацию на длине волны 4 мм с мощностью около 50 МВт. Второй — принципиально новый способ, состоит в использовании пучка с током в десятки килоампер для накачки волн в протяженном плазменном шнуре, которые затем трансформируются в поток электромагнитного излучения указанного частотного интервала. В этих условиях снимаются ограничения на величину тока пучка, пропускаемого через генератор, и, как следствие, на величину генерируемой мощности. Этот принципиально новый метод генерации мощных потоков излучения реализован на установке ГОЛ-ПЭТ с использованием пучка, поступающего от ускорителя У-2. Здесь уже получен поток излучения с длиной волны около 1 мм (0.3 ТГц) с мощностью, также превышающей 10 МВт», — пояснил он.Конечная цель изучения и развития этих двух способов генерации пучков — создание мощных, но компактных относительно ЛСЭ источников терагерцевого излучения, которые были бы способны генерировать субгигавантные мощности на высокой частоте — от 0.1 до 1 ТГц.
«В этой области частот наблюдается недостаточное количество источников излучения, а существующие работают с относительно малыми мощностями — милливатты, десятки милливатт и, в редких случаях, сотни милливатт, — добавил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Евгений Сандалов. — Фишка и новизна нашего подхода именно в методах пучково-плазменного и пучково-волнового взаимодействия, которые позволяют эту область частот освоить. Основная сложность кроется в физических и технических тонкостях создания таких установок и проведения экспериментов».
Созданные источники открывают дорогу для ранее недоступных экспериментов в материаловедении, медицине и биологии. Полученные результаты заложили основу для дальнейшего продвижения в еще более высокочастотные диапазоны, которые пока недоступны для других методов генерации.
