22 июля 2014 года в ереванском Институте синхротронных исследований КЕНДЛ состоялась церемония открытия линейного ускорителя AREAL (Advanced Research Electron Accelerator Laboratory) с лазерной высокочастотной пушкой, который позволяет получать ультракороткие прецизионные пучки электронов для научных исследований по ускорительным технологиям, источникам когерентного излучения и динамике ультрабыстрых процессов. Сегодня эти исследования относятся к числу наиболее важных направлений в ведущих ускорительных центрах мира. Ускоритель AREAL был построен в течение 2011-2013 годов при поддержке Государственного комитета по науке РА и в тесном международном сотрудничестве с немецким ускорительным центром ДЕЗИ и швейцарским Институтом Пола Шеррера. Экспертную поддержку новому проекту оказывала международная группа зарубежных специалистов, которая регулярно осуществляла мониторинг выполнения работ по сооружению нового ускорителя в Армении.
Первый пучок на новом ускорителе был получен 20 декабря 2013. В мае 2014 года была завершена серия прецизионных экспериментальных измерений параметров пучка, а результаты доложены на международной конференции по ускорителям в Дрездене. Основные параметры ускорителя: энергия электронов – 5 мегаэлектронвольт и длительность сгустка 0,3 пикосекунды. При этом в каждом импульсе ускоряются до нескольких миллиардов электронов, что позволяет достигать килоамперных импульсных токов в предельно малом поперечном сечении.
Отличительной особенностью нового ускорителя являются прецизионные параметры пучка, которые позволяют достичь пиковой яркости источника, в десятки тысяч раз превосходящей электронные пучки от обычных ускорителей.
Толчком к реализации проекта АРЕАЛ стала прошедшая в Ереване в июне 2010 года международная конференция по современным проблемам ускорительной физики, в рамках которой была организована международная экспертная комиссия для выработки рекомендаций по сооружению источника синхротронного излучения КЕНДЛ в Армении. После ознакомления с состоянием дел по проекту комиссия предложила реализовать поэтапный план реализации большого ускорителя, так называемый сценарий выхода, который хорошо зарекомендовал себя во многих ускорительных центрах мира. Суть подхода заключается в том, что на первом этапе реализуется сравнительно небольшой проект, не связанный с большим ускорителем. При этом он должен соответствовать современным тенденциям развития ускорительной физики и техники, представлять самостоятельную научную ценность для научного сообщества и открывать новые возможности экспериментальных исследований. Так появилась идея создания в институте КЕНДЛ прецизионного линейного релятивистского электронного ускорителя AREAL на малые энергии с ультракороткими сгустками и предельно малыми поперечными размерами пучка для исследования сверхбыстрых процессов с высоким пространственно-временным разрешением, развития новых методов ускорения частиц и нетрадиционных источников когерентного излучения.
В основу реализации проекта AREAL была взята концепция линейного ускорителя с лазерной высокочастотной пушкой, успешно развивающаяся в последние годы в ведущих ускорительных центрах мира – таких как СЛАК (США), ДЕЗИ (Германия), КЕК (Япония) и др. Концепция основана на фотоэмиссии электронов с поверхности катода при облучении лазерным лучом и мгновенного ускорения частиц в высокочастотном резонаторе с высоким темпом ускорения более 100 МВ/м. Для достижения ультракоротких импульсов на стадии генерации электронов в качестве фотокатода в АРЕАЛ был использован металлический катод. Хотя металлические катоды имеют очень малую квантовую эффективность и высокий энергетический порог для фотоэмиссии электронов, время возбуждения фотоэлектронов (время отклика) с металлической поверхности составляет около 10 фемтосек, что на порядки меньше, чем для гибридных катодов со щелочным напылением или полупроводниковых фотокатодов. Вдобавок металлические фотокатоды имеют продолжительность эксплуатации более года вместо месяцев или недель для гибридных или полупроводниковых катодов и требуют вакуума на порядки ниже.
В ускорителе АРЕАЛ медный фотокатод облучается ультрафиолетовым лазером на длине волны 258 нм, длительностью импульса 0,3 пикосекунды и с энергией в импульсе в 200 мкДж. Одновременно в высокочастотном резонаторе с глубоким вакуумом, где размещен катод, возбуждается стоячая электромагнитная волна с частотой 3 ГГц и напряжением более 100 МВ/м для мгновенного захвата фотоэлектронов в режим ускорения и доведения энергии электронов до релятивистских. Синхронизация лазерного импульса и высокочастотной электромагнитной волны осуществляется с помощью мастер-осциллятора с временной разрешимостью в 6 фемтосекунд. Ускоритель оснащен современной системой диагностики, контроля и полностью автоматизирован с помощью систем обратной связи.
В отличие от обычных ускорителей с термоэмиссионным катодом, где параметры электронного пучка обусловлены тепловыми процессами и Кулоновским расталкиванием, в электронных пушках с фотоэлектронной эмиссией параметры электронного пучка (длительность и поперечные размеры) задаются параметрами лазерного пучка, а Кулоновское расталкивание удается подавить за счет высокоградиентного ускорения частиц. Бурный прогресс последних лет в области создания сфокусированных ультракоротких лазерных импульсов высокой энергии позволяет при этом генерировать ультракороткие ( субпикосекундные) сфокусированные электронные сгустки, по яркости в десятки тысяч раз превосходящие обычные ускорители с термоэмиссионным катодом. Учитывая, что яркость источника определяет эффективность взаимодействия пучка с объектом в пространcтвенно-угловом и временном измерениях, ускоритель АРЕАЛ открывает принципиально новые возможности научных экспериментальных исследований с высоким временным разрешением по некоторым направлениям, недоступным на обычных ускорителях, включая большие современные ускорители. Это сверхбыстрая релятивистская дифракция электронов, сверхбыстрый импульсный радиолиз и эксперименты с возбуждением образца и его зондирования ультракоротким электронным сгустком (pump-probe experiments). Важное место в работах на АРЕАЛ будет иметь разработка новых экспериментальных методик и сверхбыстрой аппаратуры, которые могут вывести исследования на принципиально новый уровень.
Сверхбыстрая релятивистская дифракция электронов
В настоящее время выявление особенностей динамики взаимодействия атомов является одной из важных проблем, с которой сталкиваются ученые во многих областях исследований. Любой значительный прогресс в этом направлении, безусловно, окажет глубокое воздействие на наши представления об основных процессах при исследовании молекул, материалов и биологических систем.
До последнего времени большинство структурных изменений в масштабах атомных длин было доступно лишь косвенно с использованием спектрального анализа. Для того чтобы непосредственно наблюдать атомные и молекулярные структуры, необходимо использовать волны с достаточно малой длиной или частицы достаточно высоких энергий. Длины порядка атомных размеров имеют только рентгеновское излучение или электроны со сравнительно высокой энергией, которые могут обеспечить достаточное пространственное разрешение, чтобы непосредственно исследовать структурные изменения.
Временное разрешение таких исследований может достигаться генерацией ультракоротких пучков, что делает актуальной проблему генерации сверхкоротких импульсов в субпикосекундной и фемто секундной области. В обычных современных линейных ускорителях с термоэмиссионным катодом длительности сгустков ограничены десятками пикосекунд из-за Кулоновских полей и теплового разброса частиц по скоростям. В кольцевых ускорителях электронов на высокие энергии длительность сгустков также ограничена десятками пикосекунд из-за квантовой раскачки продольных колебаний электронов. По сравнению с обычными источниками нерелятивистких электронов пучки АРЕАЛ имеют в десятки тысяч раз большую интенсивность, в десятки раз короче импульс и на порядок большую проникающую способность, что принципиально значимо при исследовании сверхбыстрых процессов.
Таким образом, прецизионные сверхкороткие релятивистские электронные пучки от ускорителя АРЕАЛ открывают новые возможности для иследования структурных изменений с высоким временным разрешением с помощью сверхбыстрой релятивистской дифракции электронов.
Дело в том, что эффективность взаимодействия частиц или фотонов с материей определяется сечением рассеяния, которое характеризуется отношением числа рассеянных частиц к числу падающих частиц и имеет различную физическую природу для электронов и фотонов. Сечение рассеяния при дифракции электронов задается Резерфордовским рассеянием, которое в сто тысяч раз больше, чем для рентгеновских лучей, определяемое Томсоновским рассеянием. Это означает, что дифракция109 электронов сгустка АРЕАЛ адекватна дифракции 1014 рентгеновских фотонов от современных источников синхротронного излучения. Огромная разница (на пять порядков) в поперечном сечении для двух физических процессов делает дифракцию электронов эффективным и конкурентоспособным инструментом экспериментальных исследований с высоким пространственным разрешением.
Кроме того, длина волны де Бройля для электронов с энергией уже в 2 МэВ составляет порядка 0,01 Ангстрем, что почти в сто раз меньше длины волны типичного источника рентгеновского излучения (1 Ангстрем) . Это позволяет при дифракции электронов исследовать более глубинные представления о структуре материи.
Наконец, длительность электронных сгустков от АРЕАЛ в десятки раз меньше достижимых в обычных линейных ускорителях или современных циклических ускорителях электронов, что открывает новые горизонты исследований сверхбыстрых процессов динамики взаимодействия атомов с помощью релятивистской дифракции электронов. А это углубление наших представлений в области физики конденсированных сред, в физике твердого тела, в материаловедении, физике поверхности, молекулярной физике, разработке и исследовании новых материалов и т.д.
Сверхбыстрый импульсный радиолиз
Успехи в развитии фундаментальных исследований быстропротекающих процессов в области радиационной химии связаны с прогрессом в создании ультракоротких импульсов релятивистских электронов.
Эффективным инструментом этих исследований является сверхбыстрый импульсный радиолиз, который представляет собой метод исследования быстрых химических реакций и их короткоживущих продуктов при воздействии на вещество электронными сгустками субпикосекундной длительности. Импульсный радиолиз позволяет осуществить ионизацию и возбуждение молекулы или атома, разорвать любую химическую связь, получить таким образом практически любые короткоживущие частицы и изучить быстрые реакции их превращений.
Пучки электронов от АРЕАЛ могут быть использованы для изучения сольватированных электронов, свободных радикалов, ион-радикалов, ионов металлов, возбужденных молекул и атомов для исследования кинетики быстрых реакций, а также для выяснения механизма радиационно-химических, радиационно-физических и радио-биологических процессов, получения новых фундаментальных знаний в области радиационной полимеризации, радиационного катализа, радиационной коррозии и радиационно-химических превращений материалов, разработки новых наноматериалов и автокатализаторов.
Приведенные выше примеры уже дают ясное представление о перспективах экспериментальных исследований сверхбыстрых процессов на АРЕАЛ по широкому спектру естественнонаучных дисциплин. Не менее важным следствием нового ускорителя АРЕАЛ является реальная перспектива создания в Армении на его основе источников излучения четвертого поколения, так как генерация ультракоротких сгустков является ключом к созданию будущих ускорительных технологий и источников когерентного излучения.
Василий ЦАКАНОВ, доктор физико-математических наук, директор Института синхротронных исследований КЕНДЛ