EN

Научная школа синхротронного излучения Московского университета

Началом истории синхротронного излучения (СИ) можно считать заседание семинара по теоретической физике в старом здании физического факультета Московского университета (на Моховой) весной 1944 года. Обсуждался вопрос о предельной энергии ускорения электронов в бетатроне (циклическом индукционном ускорителе). Выступая на семинаре, Д.Д. Иваненко и И.Я. Померанчук предположили, что причиной такого ограничения является магнитотормозное излучение, мощность которого пропорциональна четвертой степени энергии ускоренного электрона. Не все участники семинара с этим согласились, но Д.Д. Иваненко и И.Я. Померанчук отправили всё же в печать статьи, которые в том же году были опубликованы в Докладах Академии Наук СССР и в американском журнале Physical Review. Американский физик Д. Блюитт, изучавший радиационные потери энергии электрона в бетатроне, вскоре показал, что теоретическое предсказание Д.Д. Иваненко и И.Я. Померанчука подтверждается: при достижении максимальной энергии электроном ~100 МэВ наблюдается радиационное сокращение радиуса орбиты электрона и частица падает на внутреннюю мишень. Однако визуальное — прямое — наблюдение этого излучения Блюитту не удавалось. Поиски этого излучения в микроволновом диапазоне оказались безуспешными, поскольку эта область была далека от максимума спектрального распределения мощности.
Визуальное наблюдение излучения произошло совершенно случайно в апреле 1947 года в той же лаборатории, руководимой Дж. Поллоком, на синхротроне «Дженерал Электрик» на 80 МэВ. Сотрудник Поллока Ф. Хабер при профилактике стеклянной камеры синхротрона снял часть металлизированного покрытия, непрозрачного для света. Когда же синхротрон был вновь включен, яркий голубой свет, испускаемый электронами, вырвался за пределы камеры ускорителя в лабораторию.
Так впервые наблюдалось излучение релятивистских электронов, получившее название синхротронного. Годом позже (в 1948 году) Д. Иваненко и А. Соколов также в Докладах Академии наук опубликовали статью «Теория светящегося электрона» где рассчитали угловые и спектральные характеристики синхротронного излучения. Работа была началом цикла работ теоретиков Московского Университета, ставшего основой научной школы Московского Университета по синхротронному излучению. В библиографическом списке работ физиков Московского Университета по теоретическому и экспериментальному исследованию синхротронного излучения и его применениям на сегодня более 1200 публикаций, десятки докторских и сотни кандидатских диссертаций. Последняя докторская, в частности посвященная теории 
 
Академик И.Я. Померанчук

синхротронного и ондуляторного излучения, защищена в ноябре 2011 года (К.В. Жуковский).
Первыми у нас в стране экспериментальными проверками «теории светящегося электрона» были работы 1956 года. Первая работа Ю.М. Адо и П.А. Черенкова по распределению энергии в спектре некогерентного излучения электронов, движущихся в синхротроне. Вторая, вышедшая уже после публикации теоретической работы А.А. Соколова и И.М. Тернова о поляризационных эффектах в излучении светящегося электрона, работа Ф.А. Королёва, Е.М. Акимова, В.С. Маркова, О.Ф. Куликова «Экспериментальные исследования углового распределения и поляризации оптического излучения в синхрофазотроне».

Профессора И.М. Тернов, Д.Д. Иваненко, А.А. Соколов (1967 г.)

Далее экспериментальное исследование свойств синхротронного излучения физики МГУ (О.Ф. Куликов, А.С. Яров и др.) совместно с лабраторией высоких энергий ФИАН им. П.Н. Лебедева. (Ю.М. Александров, М.Н. Якименко и др.) Эти работы поддерживались директором ФИАН академиком Д.В. Скобельциным. Уже в 1967 году при его поддержке был построен первый ВУФ — спектроскопический канал на синхротроне ФИАН С-60 на 680МэВ. Но вернемся назад в 40-е. Интересно, что еще в 1948 году А.Н. Прохоров занялся изучением синхротронного излучения с целью получения когерентного электромагнитного излучения в сантиметровой и миллиметровой областях спектра. Он проводит серию успешных экспериментов по изучению когерентных свойств излучения релятивистских электронов, движущихся в однородном магнитном поле.
 
Академик А.Н. Прохоров

Прохоров доказал, что синхротронное излучение можно использовать в качестве источника когерентного излучения в сантиметровом диапазоне, определил характеристики и уровень мощности источника. Эти исследования составили тему его докторской диссертации, которую он успешно защитил в 1951 году. 
Но всё же напомним, что основная мощность излучения сосредоточена в более жёсткой области спектра — вакуумном ультрафиолете и рентгене — и в них развиваются основные применения синхротронного излучения. 
Природа синхротронного излучения связана с испусканием электромагнитных волн ускоренно движущимся зарядом. В циклическом ускорителе электронов заряд движется со скоростью, близкой к скорости света по окружности в магнитном поле, практически однородном вдоль траектории
 
Научные сотрудники кафедры оптики и спектроскопии О.Ф. Куликов, Е. Филиппов и А.С. Яров

частицы. В этих условиях релятивистский электрон, обладая огромным центростремительным ускорением, становится мощным источником электромагнитного излучения. 
Как мы уже говорили, пионерами в исследовании поляризационно-угловых характеристик СИ были О.Ф. Куликов с соавторами. На синхротроне ФИАН на 680 МэВ ими были получены фотографии углового распределения интенсивности СИ в компонентах линейной поляризации излучения для энергии электронов 250 МэВ. Эксперимент в согласии с теорией показал, что компонента линейной поляризации с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости орбиты, имеет характерное угловое распределение с минимумом в плоскости орбиты. Компонента с электрическим вектором, параллельным плоскости орбиты, имеет максимум в плоскости орбиты. Непосредственно в плоскости орбиты излучение почти полностью линейно поляризовано. Вырезая излучение в плоскости орбиты, можно получить линейную поляризацию, достигающую 98%.
Накопитель имеет серьезные преимущества перед синхротронами как источник СИ, в частности, благодаря возможности длительного использования излучения моноэнергетических электронов. У накопителей как источников СИ есть и другие важные преимущества, связанные с меньшим сечением пучка электронов, возможностью накопления большого числа частиц на орбите, более высоким вакуумом (10-9 торр), более низким радиационным фоном вокруг накопителя, что позволяет располагать аппаратуру в непосредственной близости от источника СИ, и др. Синхротроны как источники СИ сыграли важную историческую роль в освоении СИ: на них оно было обнаружено, исследованы его основные характеристики, начаты (и идут до сих пор) эксперименты по его использованию. Но будущее, конечно, за накопителями: именно на основе накопителей созданы и разрабатываются специализированные источники СИ.
В 1947 г. В.Л. Гинзбург, изучая проблему создания достаточно мощных и надежных генераторов в области микроволнового диапазона, впервые обратил внимание на возможность излучения релятивистскими электронами при их движении в системах с периодическим полем — модель движущегося релятивистского осциллятора.
Рассмотренная В.Л. Гинзбургом задача явилась очень удачной моделью будущих приборов генерации электромагнитного излучения, получивших название ондуляторов.
Подобно синхротронному, ондуляторное излучение вначале не привлекло к себе особого внимания. Это было связано в значительной мере с тем, что ондулятор рассматривался главным образом как источник излучения в миллиметровом диапазоне волн.
Тем не менее, успешно проведенные на линейном ускорителе в США эксперименты стимулировали дальнейшее развитие теории ондуляторного излучения. В Советском Союзе теоретические исследования проводились учеными физического факультета МГУ, Института ядерной физики СО АН СССР (Новосибирск), Физического института АН СССР им. П.Н. Лебедева (ФИАН), Томского государственного университета, а также Ереванского физического института. В результате этих исследований теория ондуляторного излучения была достаточно полно разработана.
Первые наблюдения излучения из ондулятора, встроенного в камеру циклического ускорителя, были проведены в нашей стране. В 1977 г. группа физиков ФИАН под руководством академика П.А. Черенкова и физического факультета Московского университета наблюдала ондуляторное излучение на синхротроне ФИАН «Пахра», ускоряющего электроны до энергии 1,2 ГэВ. Этой группе удалось получить первые фотографии этого нового типа излучения, исследовать его спектральные и угловые характеристики, эффект квазимонохроматичности.
В последние годы ондуляторы приобретают все более важное и самостоятельное значение в связи с реализацией программы создания генераторов когерентного излучения на свободных электронах. Этот этап развития техники, по существу, является «вторым рождением» ондуляторов, поскольку свойства когерентного вынужденного излучения делают ондуляторы столь важными источниками излучения (лазер на свободных электронах), что синхротронное излучение из поворотных магнитов отодвигается на второй план.
Лазеры на свободных электронах — это физика сегодняшнего дня. Это макроскопические приборы, в которых происходит усиление (или генерация) когерентного электромагнитного излучения свободными (не связанными в атоме или молекуле) релятивистскими электронами. Одной из возможностей реализации лазера на свободных электронах является индуцированное излучение электронов в ондуляторе, при этом усиливаемая волна распространяется в направлении поступательного движения электронов, движущихся в ондуляторе с релятивистской скоростью. Перспективность лазеров на свободных электронах подчеркивается возможностью плавной перестройки частоты прибора в широком диапазоне простым изменением параметров — энергии частицы и напряженности магнитного поля, а также достаточно простым управлением поляризацией электромагнитных волн.
Таким образом, свойства ондуляторного излучения оказались настолько привлекательными, что ондулятор теперь выходит на первый план как новый самостоятельный источник излучения — особый инструмент физических исследований. Последняя XIX конференция по синхротронному излучению в Новосибирске была посвящена, главным образом, использованию синхротронного излучения и собрала пользователей СИ из всех областей современной науки. Собственно, теория СИ и ОИ было посвящено лишь несколько докладов (2 доклада из МГУ). Область применения СИ и ОИ непрерывно расширяется. Актуальным становится вопрос об образовании, по примеру Японии, общества по пользователей СИ и ОИ. В связи с этим возникает также необходимость проведения более специализированных конференций по различным областям применения СИ (спектроскопия, EXAFS, рентгено-структурные исследования, молекулярная биология, химия, нанотехнологии и т.д.).
В.В.Михайлин, профессор, 
заведующий кафедрой

Назад