Диалоги (сентябрь 2003 г.) - Александр Гордон

В Новосибирске существует Сибирский международный центр синхротронного излучения с двумя накопителями, которые построили еще при Г.И. Будкере. На территории бывшего Союза есть еще одно пятнышко, это накопитель в Харькове на 100 МэВ. В Армении работал синхротрон АРУС. А вообще, взгляните на карту, в Европе, в США, только в Японии почти 20 источников, в Бразилии, в Сингапуре…

А.Г. Индия, Китай.

В.М. В Канаде к концу года запустят Канадский источник СИ. В общем, около 80 центров, в некоторых несколько машин.

Выставка «Экспо-2000» в Гамбурге проходила под девизом «Синхротронное излучение – свет будущего», в немецком варианте, а в английском – «Свет будущего тысячелетия». Но это свет не в бытовом смысле, а свет для исследования. Дело в том, что сейчас почти все эффекты, которые связаны с взаимодействием излучения с веществом, исследуются с синхротронным излучением.

А.Г. Прежде чем вы продолжите, я хотел бы, чтобы вы дали определение синхротронному излучению. Что это?

Владислав Халилов: Ради Бога. В наиболее простом определении, это излучение релятивистского (то есть движущегося со скоростью близкой к скорости света) заряда (в данном случае электрона, поскольку в синхротроне ускоряются электроны), который движется по криволинейной (круговой) траектории, и, следовательно, имеет центростремительное ускорение. Ну, в общем, с точки зрения…

А.Г. Но движется при этом в магнитном поле?

В.Х. Да, в магнитном поле. Его называют также магнитно-тормозным излучением, еще циклотронным можно назвать это излучение. Циклотронное излучение отличается от синхротронного излучения тем, что в циклотроне излучают нерелятивистские (медленно движущиеся) частицы. Синхротронное излучение – это, по существу, циклотронное излучение плюс эффект Допплера, то есть смещение длины волны, излучаемой движущимся источником в короткую область.

Несколько слов по поводу терминов, которые были употреблены, наверное, не все это знают. Бетатрон – это ускоритель, синхротрон – это тоже ускоритель. Накопитель – это накопительное кольцо, это как бы жаргон. Дело в том, что в бетатроне и синхротроне частицы ускоряются, и их цикл прохождения по траектории – очень короткий, короткое время ускорения и всё, они выбывают как источники излучения. Накопитель, это кольцо, в котором пучок электронов сохраняется в течение длительного времени на равновесной орбите – до 24 часов, до суток и даже больше. Этот пучок поддерживается на равновесной орбите благодаря тому, что там специально устроены некие короткие промежутки с переменным электрическим полем. Виталий Васильевич уже говорил, что синхротронное излучение вначале считалось вредным, потому что при излучении электрон теряет энергию. А есть тесная связь между радиусом равновесной орбиты электрона и его энергией. Когда электрон излучает, он теряет …

А.Г. Теряет энергию.

В.Х. Да, теряет энергию.

А.Г. И теряет свою орбиту.

В.Х. Да, и значит, радиус орбиты движения электрона изменяется. И ясно, так как область движения электрона не может быть слишком большой (она ограничена, скажем, стенками ускорителя или накопителя), то вследствие излучения энергия и радиус орбиты изменяются, и он выбывает из режима ускорения, падая на стенку. А вот для накопительного кольца придумали, каким образом избежать этого. В 4-х коротких прямолинейных промежутках, расположенных по орбите, ставят резонаторы с высокочастотным (переменным во времени) электрическим полем, частота которого подобрана ровно так, чтобы потери энергии электрона на излучение за один оборот были бы скомпенсированы за счёт ускорения электрона электрическим полем при прохождении этих промежутков. И за счёт этого механизма средняя энергия, а потому и радиус равновесной орбиты электрона, практически не изменяются в течение длительного времени, и пучок электронов сохраняется в кольце очень долго.

Это, может быть, хорошо и для синхротронного излучения, потому что пучок электронов можно использовать многократно в качестве источника излучения. В ускорителе пучок использовали один раз и всё. А в накопительном кольце – в течение длительного времени. И сейчас, я так понимаю, в основном накопительные кольца и используются в качестве источников излучения.

В.М. Я начинал на синхротроне, но сейчас существуют накопители, на которых эти пучки могут держаться не часы уже, а десятки часов, дни, недели. И машина уже строится специально как источник излучения, там и сечение пучка подбирается и добиваются малого угла расхождения, все это определяет яркость источника. Но там есть хитрости, которые связаны просто с оптикой. Вот у нас сейчас на экране отрывок из статьи Блюита в «Курьере ЦЕРНа» к 50-летию открытия синхротонного излучения. Он пишет, что 24 апреля 1947 года четыре физика (Поллок, Лэнгмюр, Эльдер и Гуревич) увидели это излучение. Про Флойда Хабера забыли, в статье его даже не упоминают. Вот смотрите. На фото слева Флойд Хабер, он еще совсем молодой, и четыре больших физика.

А.Г. Несправедливость какая. Он собрал больших физиков, чтобы показать то, что он видел. В результате его в истории не осталось.

В.Х. Он был молодой, у него хорошее зрение.

В.М. Но это действительно большие физики. А это стеклянная камера синхротрона…

А.Г. Диаметром в метр всего…

В.М. В журнале «Курьер ЦЕРНа» рядом с этой фотографией помещена фотография современного накопителя энергии в Гренобле, где диаметр – порядка сотен метров. Мы его покажем позже. А это само излучение, так его видно.

Теперь поговорим про само излучение, про его свойства. Как устроен ускоритель: это четыре квадранта, в самом простом случае, может быть и больше. Квадранты раздвинуты, это прямолинейные промежутки, где устанавливаются резонаторы для того, чтобы подталкивать электроны. Их может быть не только четыре, но это уже детали.

А.Г. Принципиальная схема ясна.

В.М. Да, принципиальная схема начинается с четырех. Инжектор, линейный ускоритель… Еще на слайде виден красненький сгусток. Идеальный сгусток электронов в 3 сантиметра, и тогда время излучения этого сгустка всего 100 пикосекунд, такое короткое время. Накопитель по схеме мало будет отличаться, схема будет похожая.

А вот дальше мы перейдем к теории без формул. Ускоряемый заряд, если он не релятивистский, будет излучать диполь Герца. А если скорости приближаются к скорости света, а они весьма приближаются – скорость электрона с энергией 6 ГэВ будет такая: шесть девяток после нуля. Для экспериментатора это вообще почти скорость света, но, как мы знаем, по теории относительности здесь не может быть скорости света.

А здесь показано два случая. Первый случай, скорость и ускорение совпадают, и по формуле Джексона излучение диполя вытягивается в направлении ускорения. Но этот случай малоинтересен. А вот в другом случае, когда электрон движется по круговой орбите, очень интересный, трансформируется этот диполь Герца, трансформируется совсем по-другому. Нижняя половинка его вытягивается в нижнюю диаграмму направленности, а вторая половинка натягивается на неё. То есть мы видим боковые стороны источника, вот такой эффект потрясающий. Но вообще в искусстве это известно как «обратная перспектива» (в иконах, например).

А вот тут уже трехмерное изображение диаграммы направленности, так выглядит мгновенное излучение электрона. Угол расхождения…

В.Х. Обратно пропорционален энергии электрона. Поэтому чем больше энергия, тем меньше угол, в котором сосредоточено излучение, тем лучше угловая направленность, тем уже световой пучок.

В.М. А дальше по орбите как грязь с колеса, со всех точек, где электрон поворачивает, будет идти синхротронное излучение. И поэтому можно на этом источнике сделать десятки выводов, и одного источника может хватить на всех физиков страны. Чего на самом деле пока у нас не сделано.

В.Х. Но сколько туда нужно закачать энергии, чтобы получить столько излучения.

А здесь показан спектр излучения для одного, двух, трех, четырех, пяти, шести ГэВ. При шести ГэВ максимум излучения при десятых ангстрема, это область рентгеновского спектра. В ЦЕРНе работал до последнего времени коллайдер 170 ГэВ, максимум был в области гамма-излучения, но никто не использовал это синхротронное излучение. Сейчас его разобрали и строят коллайдер на 14 ТэВ для того, чтобы искать там Хигсовский бозон.

На левом графике угловое распределение синхротронного излучения для разных длин волн. Более жесткое излучение более остро направлено. Получается так, если вы смотрите на него: в центре рентген, потом ультрафиолет, синий и на краях – красный.

Это позволяет отделить в эксперименте жесткую часть излучения от мягкой. И на самом деле такие угловые и спектральные характеристики делают источник уникальным.