50 лет синхротронному излучению
В 1997 году мировая научная общественность отметила 50-летие синхротронного излучения. Поскольку его открытие и дальнейшее широкое использование связано с именами крупнейших советских ученых, мне показалось необходимым обратить внимание ученых и общественности Дубны на это важнейшее событие прошедшего года.
Синхротронное излучение - это электромагнитное излучение, которое испускается заряженными частицами, движущимися по круговым орбитам с ультрарелятивистскими скоростями. Иногда его называют также магнитотормозным излучением. Фактически синхротронное излучение является комптоновским рассеянием электронов на квантах электромагнитного поля. Синхротронное излучение некогерентно, то есть является случайной суммой излучений от независимого рассеяния электронов на квантах поля.
Кроме синхротронов, также бетатроны, накопительные кольца и любые магниты, отклоняющие пучок частиц, могут служить источниками синхротронного излучения. В настоящее время только ускорители и накопительные кольца для электронов и позитронов сообщают этим частицам скорость, достаточно близкую к скорости света, чтобы создавать синхротронное излучение с интенсивностью, имеющей практическое значение. Первоначально синхротронное излучение было побочным продуктом процесса ускорения частиц до высоких энергий. Однако с повышением энергии частиц оказалось, что синхротронное излучение обусловливает основной механизм энергетических потерь, и для компенсации этого излучения требуется заметная доля радиочастотной мощности, подводимой к резонаторам ускорителей. Спектр синхротронного излучения простирается от инфракрасной области до жестких рентгеновских лучей. Оно в высокой степени направлено, поляризовано, обладает большой мощностью и излучается в виде периодических всплесков длительностью порядка наносекунды.
История синхротронного излучения, по-видимому, начинается с разработки Дж. К. Максвеллом теории электромагнетизма, который представил всю совокупность основных законов электричества (законы Кулона, Ампера и Фарадея) в виде системы уравнений, впервые доложенных на заседании Лондонского Королевского общества в 1864 году и опубликованных в "Трактате об электричестве и магнетизме" в 1873 году. Простая система основных уравнений давала объяснение всем электрическим, магнитным и оптическим явлениям. Именно Максвелл предположил, что видимый свет представляет собой электромагнитные волны с соответствующими длинами волн.
В 1895 году немецким физиком В. К. Рентгеном было открыто излучение, проходящее через человеческое тело. Поскольку природа этого явления ему была неясна, он назвал его Х-лучи. Впоследствии они были названы рентгеновскими. Фактически X-лучи - это электромагнитные волны, находящиеся на шкале длин волн между ультрафиолетовым и гамма-излучением. Их длина волны сравнима с внутриатомными расстояниями. Хотя концепция электрона и объяснение природы рентгеновских лучей в те годы витало в воздухе, официальное признание открытия электрона последовало лишь в 1897 году после измерения английским физиком Дж. Дж. Томпсоном отношения заряда к массе электрона. "Изобретателем" синхротронного излучения считается французский физик А. Лиенар, который в 1898 году опубликовал в журнале "Электрическое освещение" статью под названием "Электрическое и магнитное поле, создаваемое точечным электрическим зарядом при произвольном движении". В этой статье было показано, что электрон, движущийся по круговой орбите, интенсивно излучает электромагнитные волны, и приводилась формула для потерь энергии на излучение частицей, движущейся по круговой траектории. Труды Лиенара были дополнены исследованиями шведского ученого Э. Вихерта, и этот математический формализм называется потенциалами Лиенара - Вихерта. Крупный вклад в развитие теории синхротронного излучения сделал английский физик Дж. А. Шотт, который в опубликованной в 1912 году статье описал угловое и спектральное распределения излучения и его поляризационные свойства.
Затем в течение длительного времени никто не занимался теорией синхротронного излучения. Примерно с 1940 года начались первые экспериментальные работы по бетатронам. Первый бетатрон на энергию 2,3-20 МэВ был построен в 1940 - 42 г. под руководством Д. Керста в рамках совместного проекта Иллинойского университета (США) и компании “Дженерал Электрик”. Работы по бетатронам велись в эти годы и в СССР. В 1940 - 44 годах И. Я. Померанчук и Д. Д. Иваненко впервые разработали теорию синхротронного излучения применительно к кольцевым ускорителям частиц. Впоследствии, в 1949 году, Ю. Швингер существенно дополнил эту теорию, показав, что синхротронное излучение содержит много гармоник высшего порядка.
В 1945 году компанией "Дженерал Электрик" был построен бетатрон на 100 МэВ. Первым экспериментатором. проявившим интерес к синхротронному излучению, был Дж. Блюит. В 1946 году он рассчитал сжатие орбиты электронов в этом бетатроне за счет энергетических потерь на излучение и затем подтвердил расчет экспериментально. При таких энергиях синхротронное излучение можно увидеть глазом, однако вакуумная камера бетатрона была изготовлена из черной керамики, а Блюит искал излучение в микроволновой области и поэтому не смог его зарегистрировать. Известный специалист в области синхротронного излучения профессор Кристоф Кунц, лично знавший Д. Д. Иваненко, считает, что Дж. Блюит был знаком с работами Померанчука и Иваненко и целенаправленно искал синхротронное излучение. В работе Швингера было показано, что мощность излучения в микроволновой области очень мала.
В 1944 году В. И. Векслером и в 1945 году независимо Э. М. Макмилланом был выдвинут принцип фазовой устойчивости (принцип автофазировки). Это открытие привело к созданию синхротронов. Первый синхротрон на энергию 8 МэВ был запущен в Англии. В 1947 году был построен синхротрон на 30 МэВ в ФИАН (Москва) под руководством В.И.Векслера.
Через год после безуспешных попыток Блюита, 27 апреля 1947 года, Эрб Поллок, Роберт Лэнгмайер, Фрэнк Элдер и Анатоль Гуревич, работая на синхротроне компании "Дженерал Электрик" на энергию 70 МэВ, наблюдали синхротронное излучение через прозрачную стенку вакуумной камеры. Так синхротронное излучение было установлено экспериментально.
С этого времени началось систематическое изучение синхротронного излучения: на синхротроне "Дженерал Электрик" в Скинектеди, затем на синхротроне ФИАН на 230 МэВ, созданном В. И. Векслером, А. П. Комаром, П. А. Черенковым и М. С. Рабиновичем в 1949 году, на синхротроне Корнельского университета на 300 МэВ и других. Значительную роль в развитии исследований синхротронного излучения в тот период сыграли также ученые Корнельского университета. В частности, Ханс Бл те и Роберт Вилсон, которые, решив прекратить свое участие в "Атомном проекте" США, приехали работать в Корнельский университет. Р. Вилсон и построил синхротрон на 300 МэВ в 1953 году. Первый канал синхротронного излучения (СИ) был также создан в Корнельском университете Д. Томбулианом и П. Хартманом в 1955 году, и ими же была продемонстрирована возможность спектроскопии в вакуумной ультрафиолетовой области с помощью СИ. Детальные измерения спектров излучения, проведенные в Корнельском университете и ФИАНе, показали полное согласие между теорией и экспериментом.
В период с 1960 по 1970 год в разных странах было построено еще несколько синхротронов и накопительных колец. Здесь уместно отметить австрийского физика Б. Тушека, работавшего в Риме и сыгравшего большую роль в создании первого накопителя АДА (Фраскати) в 1963 году. В эти годы ускорители и накопители создавались для исследований по физике высоких энергий, и исследования с синхротронным излучением не относились к главным задачам лабораторий. Только в начале 70-х годов впервые в практике использования накопителей ТАНТАЛУС (Стоутон, США) был переключен на работы исключительно с синхротронным излучением. Позднее то же самое произошло с установкой АКО (Орсэ, Франция). Первым накопителем, спроектированным как источник синхротронного излучения, стала установка ИНС-СОР на энергию 300 МэВ, созданная в 1976 году в Токио.
Условно источники синхротронного излучения делятся на три поколения. Первое поколение включает синхротроны и накопительные кольца, созданные для физики высоких энергий и использовавшиеся как источники синхротронного излучения в "паразитном" режиме. Ко второму поколению относятся накопительные кольца, специально разработанные как источники синхротронного излучения. К третьему поколению относятся современные накопительные кольца с малым размером и малой угловой расходимостью пучка и с большим числом длинных прямолинейных промежутков с встроенными вигглерами и ондуляторами. Например, на накопительном кольце Европейского центра синхротронного излучения имеется 29 прямолинейных промежутков длиной 5 м.
Устройствами, которые генерируют синхротронное излучение являются отклоняющие магниты и периодические магнитные структуры ("змейки"): вигглеры (от английского слова wiggle - покачивание) и ондуляторы (от французского слова ondulation - колыхание). Еще в 1947 году В. Л. Гинзбург высказал предложение о возможности использования излучения релятивистских частиц. В начале 50-х годов Х. Мотц, К. Ландекер и другие ученые активно работали над осуществлением этой идеи. Впервые когерентное синхротронное излучение с помощью ондулятора было получено Мотцем с сотрудниками в 1953 году. Для этого использовался выведенный электронный пучок из линейного ускорителя на 5 МэВ.
Отклоняющие магниты являлись традиционным источником, генерирующим синхротронное излучение в установках первого и второго поколения. Излучение направлено по касательной к траектории частицы, отклоняемой магнитным полем, как свет фар автомобиля при его повороте. Испускаемое излучение по форме похоже на веер. В синхротронных источниках третьего поколения основную роль играют встроенные магнитные системы (вигглеры и ондуляторы), устанавливаемые в прямолинейных промежутках накопительных колец. Каждое такое устройство состоит из последовательности небольших магнитов чередующейся полярности. Результирующее магнитное поле заставляет электроны осциллировать вокруг линейной траектории. Излучение, испускаемое на каждом изгибе траектории, суммируется и, в случае вигглера, его интенсивность пропорционально увеличивается. В ондуляторах отклонения меньше, так что световые конусы, испущенные при каждом изгибе траектории, частично перекрываются, и за счет интерференции излученный спектр модифицируется. При этом яркость излучения в определенных участках спектра увеличивается на несколько порядков по сравнению с излучением из отклоняющих магнитов. Спектральная яркость излучения является наиболее важным параметром синхротронного источника. Она определяется как число излучаемых фотонов в единицу времени на единицу площади на единицу телесного угла на 0,1 процента волнового диапазона. Почему этот параметр является чрезвычайно важным? Экспериментальные исследования с синхротронным излучением исходят из возможностей обеспечения определенного разрешения по длинам волн, коллимации и размера пучка. После того, как эти экспериментальные условия зафиксированы, именно спектральная яркость определяет величину полезного потока фотонов, который может провзаимодействовать с образцом. Если эти экспериментальные условия достаточно жесткие, то их обеспечение приведет к уменьшению полезного потока фотонов и, соответственно, к ухудшению статистической точности измерений. Или же вообще исключит проведение эксперимента, если образец либо нестабилен, либо претерпевает структурные изменения с течением времени.
В настоящее время в мире существует более 50 действующих и строящихся синхротронных источников, в том числе в США, Японии, Англии, Бразилии, Германии, Индии, Италии, Китае, Корее, России, Франции, Швейцарии, Швеции. В Гренобле (Франция) с 1986 года существует Европейский центр синхротронного излучения, созданный на взносы 12 европейских стран. В этом центре синхротронный источник представляет собой электронный синхротрон на 6 ГэВ и накопительное кольцо. Сооружение его было начато в 1988 году, и первый пучок получен в 1992 году. Среди источников третьего поколения он обладает рекордными параметрами. В частности, к концу 1997 года была получена спектральная яркость 1021 фотонов/сек/мм2/мрад2/0,1%в.д., что, однако, по-видимому, является пределом для этого источника.
В России исследования с синхротронным излучением активно проводились в ИЯФ им. А. М. Будкера на накопителях ВЭПП-2М, ВЭПП-3 и ВЭПП-4 и в Физическом институте им. Лебедева. В настоящее время в состоянии запуска находится электронный накопитель на 2,5 ГэВ в "Курчатовском институте". Кроме того, для нужд электронной промышленности сооружается синхротронный источник в Зеленограде, хотя его строительство затянулось из-за нехватки финансирования. Как правило, каждый из действующих центров имеет от 10 до 50 каналов-станций для проведения измерений, оборудованных исследовательской аппаратурой. Каждый конкретный эксперимент длится не более нескольких дней. К примеру, Европейский центр в Гренобле в 1997 году отработал на потребителей около 5000 часов.
Темы исследований, проводящихся на синхротронных источниках, относятся к атомной физике и физике твердого тела, химии и геофизике, биологии и медицине, материаловедению и экологии. В промышленности синхротронное излучение используется для литографии и микромеханики, создания новых лекарств и косметики, создания новых видов материалов. Например, В США и Японии около 30 процентов пучкового времени отдается промышленным потребителям. В качестве примера можно привести крупный проект, осуществляемый в Гренобле компанией France Telecom совместно с рядом других фирм. На одном из каналов Европейского центра в непрерывном автоматизированном режиме будет вестись контроль чистоты поверхности больших кремниевых пластин, для чего каждую пластину необходимо облучить во многих точках её поверхности. В области медицины синхротронное излучение является уникальным средством для лечения опухолей мозга, особенно у маленьких детей, коронарной диагностики, исследований причин болезни Паркинсона и т.д.
Совершенно очевидно, что применение синхротронного излучения и его значение для развития экономики растет с каждым годом. Например, выступая по поводу открытия крупного синхротронного источника в Аргоннской лаборатории США в мае 1996 года, президент Клинтон так оценил его роль: "Благодаря этой новой установке мы можем ожидать дальнейших продвижений в областях медицины, биотехнологии и материалов, создающих в Америке новые рабочие места, товары и отрасли промышленности".
Учитывая историю создания ОИЯИ и значительно изменившиеся научные интересы стран-участниц, мне представляется закономерным рассмотреть вопрос о создании в ОИЯИ современного многоцелевого центра синхротронного излучения - как пользовательского центра для научных организаций разного профиля и промышленных предприятий. Разумеется, что параметры пучков должны превосходить уже достигнутые в настоящее время. В таком случае можно рассчитывать на привлечение к созданию синхротронного источника России, других стран-участниц ОИЯИ, а также стран-членов Европейского сообщества. Большой интерес к созданию регионального многоцелевого центра синхротронного излучения имеется в Польше, Чехии, Словакии, на Украине.
Александр ВОДОПЬЯНОВ,
доктор физико-математических наук,
член-корреспондент РАЕН