Предложены новые схемы увеличения мощности источников излучения класса «мегасайенс»

ИНОК (ИНтенсивный Обратный Комптон) – источник (квази)монохроматических рентгеновских и гамма-квантов, основанный на эффекте обратного комптоновского рассеяния фотонов на релятивистских электронах. Базовой частью комплекса должен стать электронный накопитель с рекордными параметрами для задач ядерной (адронной) фотоники. Его создание позволит получить новые данные о структуре атомного ядра, обеспечить более точные и достоверные данные о сечениях фотоядерных реакций, а также разработать новые подходы к физике деления ядер, что важно для многих областей, активно использующих современные технологии, от ядерной медицины до оборонной промышленности. Сотрудники лаборатории «Излучение заряженных частиц», ИНТЭЛ, а также кафедры электрофизических установок (№ 14) НИЯУ МИФИ, участвуют в этом проекте не только как будущие пользователи: результаты их исследований могут повлиять на то, каким будет ИНОК.

В конце марта в Балтийском федеральном университете (Калининград) состоялось посвященное данному проекту совместное заседание Научно-технического совета НЦФМ и совета РАН по фундаментальной ядерной физике, на котором были представлены разработки НИЯУ МИФИ по совершенствованию ИНОК. Идеи, прорабатываемыми в нашем университете на заседании в Калининграде представили, аспирант кафедры электрофизических установок Михаил Владимиров и аспирант кафедры физики конденсированных сред и младший научный сотрудник лаборатории «Излучение заряженных частиц» Дмитрий Гавриленко.

Один из ключевых вопросов, стоящих перед разработчиками ИНОК – как увеличить число излученных фотонов, а вместе с ним и светимость источника. Над решением этого вопроса работают исследователи из Новосибирска, Сколково, МГУ и других научных центров. В своем выступлении Дмитрий Гавриленко предложил схемы, которые позволяют существенно увеличить за счет резкого повышения эффективности взаимодействия лазерного импульса и электронного пучка.

Первая из них – краб кроссинг схема – основана на одновременном развороте электронного и лазерного импульсов перед областью взаимодействия. Такая схема обеспечила рекордные показатели светимости на коллайдерах, однако еще не применялась в комптоновском рассеянии. Самые свежие результаты научных исследований в лаборатории «Излучение заряженных частиц» позволяют впервые рассмотреть наиболее сложную и продвинутую реализацию этой схемы, так называемую crab-waist, которая учитывает изменение формы лазерного импульса вдоль траектории электронного пучка. Оказывается, такой эффект может быть заметен для планируемых параметров установки.

Вторая схема основана на необычном использовании эффекта когерентности. Как показал в своем выступлении Дмитрий Гавриленко, если развернуть пучки так, чтобы их геометрическая область пересечения двигалась со сверхсветовой скоростью (что не противоречит специальной теории относительности, т.к. это не физический объект), то будет возникать эффект когерентного усиления, аналогичный эффекту Вавилова-Черенкова в среде, что может привести к многократному росту интенсивности рентгеновского и гамма-источников НЦФМ.

Еще один из методов усиления – использование сверхкоротких аттосекундных импульсов, или длинных пучков с нанометровой модуляцией, – был предложен сотрудниками лаборатории несколько лет назад. Однако, реализация таких электронных пучков на практике, то есть приход аттосекундной эры в оптике и сопутствующих разделах физики, включая физику генерации излучения заряженными частицами, сегодня только начинается. Фактически, это пока что физика и технологии завтрашнего дня – а решение нужно сегодня. Поэтому новые идеи, высказанные Дмитрием Гавриленко, активно обсуждались в ходе калининградского совещания.

Подобные обсуждения в кругу ведущих специалистов России в области ускорительной и излучательной физики - неоценимо важные «мелочи», из которых и складывается большая наука, а вслед за ней и технологии.

***

Интересно, что помимо комптоновского источника, в НЦФМ планируется создать еще две крупные установки – Фотонную вычислительную машину и Центр исследования экстремальных световых полей (ЦИЭС). Основой ЦИЭС будет новый уникальный источник света XCELS с мощностью 0.1-0.2 экзаватта, что в сотни раз превосходит имеющиеся на данный момент лазеры. Фундаментальные процессы взаимодействия такого излучения с веществом открывают совершенно новую область знаний и впервые предоставят возможности для изучения пространственно-временной структуры вакуума и неизвестных явлений на стыке физики высоких энергий и физики сверхсильных полей. Также будут созданы источники сверхкоротких импульсов когерентного и некогерентного излучения в жестком рентгеновском и гамма-диапазонах для диагностики материалов на масштабах от межатомного до ядерного. Кроме того, будет проведена разработка новых источников излучений и частиц для диагностики и терапии онкологических заболеваний и других медицинских приложений. В перспективе XCELS и ИНОК будут объединены.

На фото: макет Национального центра физики и математьики