Добились излучение рекордной мощности в терагерцевом диапазоне частот
Терагерцовый спектр, расположенный между инфракрасным и микроволновым, представляет собой трудную задачу для научного изучения. Основным препятствием являлось создание источников излучения, обладающих одновременно высокой мощностью и компактными размерами. Традиционные системы либо отличались большими габаритами, либо не обеспечивали достаточную мощность излучения.
Российские учёные предложили решение, основанное на двух инновационных подходах. Оба метода используют мощные электронные пучки, генерируемые ускорителями, разработанными в ИЯФ СО РАН.
Первый метод, разработанный совместно с исследователями из ИПФ РАН, предполагает генерацию излучения в вакуумных резонаторах. С использованием данного подхода на установке ЭЛМИ было достигнуто получение излучения с длиной волны 4 мм и мощностью около 50 МВт.
Второй метод представляет собой принципиально новую разработку, предложенную и реализованную в ИЯФ СО РАН. В данном методе мощный электронный пучок взаимодействует с плазмой, что позволяет преодолеть ограничения по мощности. На установке ГОЛ-ПЭТ эта технология уже обеспечила получение излучения с длиной волны около 1 мм и мощностью более 10 МВт, что на данный момент является рекордным показателем 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»
Новые разработки позволяют проводить новые и уникальнве исследования в области материаловедения, медицины и биологии, которые ранее были недоступны. Достигнутые успехи создали предпосылки для перехода к более высоким частотам, которые в настоящее время недостижимы для традиционных способов генерации.