В России создали источники излучения терагерцовых частот рекордной мощности

Цикл исследований для создания методов генерации мультимегаватных потоков терагерцового (ТГц) излучения для частот в интервале 0,15–1,5 ТГц (с длиной волны 2–0,2 мм) провели ученые Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН совместно с коллегами из Института прикладной физики (ИПФ) им. А. В. Гапонова-Грехова РАН, 20 ноября сообщает пресс-служба ИЯФ СО РАН.

Возможность генерации субгигаватной импульсной мощности в потоке излучения для указанного интервала частот, необходимой для таких исследований, обеспечивают получаемые на ускорителях ИЯФ СО РАН пучки релятивистских электронов с током от единиц до десятков килоампер с уникально малым разбросом скоростей.

Принципиально новый метод генерации сверхмощного излучения в недоступном ранее интервале терагерцовых частот, разрабатываемый физиками двух институтов РАН, использует коллективное торможение электронов пучка на волнах в плазме. С его помощью физики уже добились рекордного для настоящего времени уровня мощности излучения выше 10 МВт с частотой около 0,2 ТГц.

Фундаментальные исследования, проведенные учеными в рамках данного проекта, станут основой при создании мощных генераторов, необходимых, в свою очередь, для разработки новых методов трансформации структуры и свойств материалов. Кроме того, они могут быть использованы для локации различных объектов с высоким разрешением.

Источники терагерцового излучения — лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) — широко используются в различных странах, в том числе в России. Однако эти громоздкие сооружения могут генерировать излучение частотой выше 1 ТГц (с длиной волны менее 0,3 мм) с высокой пиковой мощностью лишь в кратковременном импульсе.

Причем энергия такого отдельного импульса невелика, а последовательность импульсов во времени обеспечивает невысокий уровень средней по времени мощности.

Главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, профессор Андрей Аржанников рассказал:

«Только новосибирский лазер на свободных электронах (НЛСЭ), созданный в ИЯФ СО РАН, способен поднимать длину волны излучения из области десятков микрон до уровня 0,4 мм при средней мощности потока излучения около 0,4 кВт. Освоению интервала частот 0,075–1 ТГц (соответствующая длина волны 3–0,3 мм) с сохранением высокой мощности излучения мешает ряд трудностей, связанных с отсутствием приемлемого физического механизма генерации и подходящих инженерно-технических решений».

За последние два десятилетия в мире среди производимых мощных вакуумных приборов только созданные в ИПФ РАН гиротроны могут генерировать мегаваттную мощность на длине волны 2–3 мм. Однако генерацию более коротковолнового излучения с сохранением мощности получить оказалось трудно. Нужно было искать новые пути решения задачи генерации мощных потоков излучения с длинами волн 2–0,2 мм (частотой от 0,2 до 1,5 ТГц), отметил ученый.

С этой целью специалисты ИЯФ СО РАН развивают одновременно два различных метода генерации с использованием пучков релятивистских электронов с током до нескольких десятков килоампер.

Первый метод они развивали в сотрудничестве с коллегами из ИПФ РАН. Генерация излучения в этом случае идет в вакууме с использованием резонаторов. В ИЯФ на установке ЭЛМИ (источником излучения в ней является электронный ленточный пучок в магнитном поле) были проведены эксперименты в области частоты 0,1 ТГц.

Совместно полученные результаты были представлены в статье «Разработка мощного пространственно протяженного Черенковского мазера W-диапазона плоской геометрии с двумерной распределенной обратной связью» (Development of Powerful Spatially Extended WBand Cherenkov Maser of Planar Geometry With Two-Dimensional Distributed Feedback), опубликованной в журнале IEEE Transactions on Electron Devices, а также в статье «Высокоселективные пространственно-развитые брэгговские резонаторы, реализующие трехмерную распределенную обратную связь, для мощных лазеров на свободных электронах», опубликованной в журнале «Письма в ЖТФ».

Второй принципиально новый метод заключается в генерации излучения за счет взаимодействия пучка электронов с плазмой. Метод предложили ученые ИЯФ, и впервые он был реализован там же. Эксперименты проводились на установке ГОЛ-ПЭТ (Гофрированная Открытая Ловушка — Плазменный Эмиттер Терагерцового излучения).

Результаты этих исследований ученые представили в двух статьях. Первая — «Энергетическая составляющая и спектральный состав субмиллиметрового потока излучения, генерируемого сильноточным электронным пучком в плазменном столбе с градиентами плотности» (Energy Content and Spectral Composition of a Submillimeter Radiation Flux Generated by a High-Current Electron Beam in a Plasma Column With Density Gradients), опубликованная в журнале Transactions on Plasma Science.

Вторая — «Частотный спектр и энергетическое содержание импульсного потока терагерцового излучения, генерируемого релятивистским электронным пучком в столбе плазмы с различным распределением плотности» (The frequency spectrum and energy content in a pulse flux of terahertz radiation generated by a relativistic electron beam in a plasma column with different density distributions), опубликованной в Plasma Physics Reports.

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Денис Самцов пояснил решаемые тандемом двух научных коллективов задачи:

«Терагерцовое излучение с каждым годом вызывает всё больший интерес у специалистов, но всё же остается малоосвоенным. Одна из задач, которая стоит перед теми, кто занят в этой области исследований — создание относительно компактных, но при этом мощных источников ТГц излучения. Совместно с коллегами из ИПФ мы ищем новые подходы и возможности для осуществления процесса генерации излучения в этой спектральной области».

Ученые ИЯФ СО РАН исследуют возможности получения и формирования сильноточных электронных пучков с большим уровнем тока (от десятка до сотни килоампер в пике), которые ранее применялись для нагрева плазмы в установках с магнитным удержанием плазмы.

Однако такие пучки электронов можно использовать и для получения импульсного излучения в терагерцовом диапазоне. Как отметил Денис Самцов, «это можно сделать как при помощи интенсивного взаимодействия такого пучка с плазмой, так и в случае накачки пучком волны в вакуумной электродинамической системе, различные варианты которой разрабатываются и успешно реализуются сотрудниками ИПФ РАН».

Целью исследования и дальнейшего развития этих двух способов генерации пучков является создание мощных, но относительно компактных источников терагерцового излучения, способных генерировать субгигаваттные 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.

В настоящее время итогом проведения цикла работ с участием молодых научных сотрудников стало создание источников излучения в диапазоне частот 0,075–0,6 ТГц с рекордной мощностью в импульсе. Это дает возможность проводить недоступные ранее эксперименты в области материаловедения, медицины и биологии.

Кроме того, достигнутые результаты станут основой разработок по подъему мощности в источниках излучения в отмеченном частотном интервале и дальнейшего продвижения в область 0,6–1,2 ТГц, что недоступно для других схем генерации потоков излучения.

Достигнутые результаты совместной работы научных групп из двух институтов РАН были представлены в нескольких статьях:

— «Разработка мощного пространственно протяженного Черенковского мазера W-диапазона плоской геометрии с двумерной распределенной обратной связью» (Development of Powerful Spatially Extended W-Band Cherenkov Maser of Planar Geometry With Two-Dimensional Distributed Feedback), опубликованной в журнале IEEE Transactions on Plasma Science;

— «Частотный спектр и энергетическое содержание импульсного потока терагерцового излучения, генерируемого релятивистским электронным пучком в столбе плазмы с различным распределением плотности» (The frequency spectrum and energy content in a pulse flux of terahertz radiation generated by a relativistic electron beam in a plasma column with different density distributions), опубликованной в журнале «Физика плазмы»;

— «Высокоселективные пространственно-развитые брэгговские резонаторы, реализующие трехмерную распределенную обратную связь, для мощных лазеров на свободных электронах», опубликованной в журнале «Письма в журнал технической физики».

Кроме того, сама разработка и проведенные фундаментальные исследования были отмечены премией РАН для коллектива молодых ученых.