Сибирские физики создали "фотопушку", которая поможет заглянуть внутрь атомов

Ученые из института ядерной физики имени Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали устройство, которое генерирует сверхкороткие пучки электронов, СВЧ-фотопушку. В перспективе она позволит создать компактный комплекс для изучения объектов на атомарном уровне в режиме реального времени в сферах биомедицины и фармацевтики.

Как рассказали в ИЯФ СО РАН, на коллайдерах с помощью пучков электронов физики изучают фундаментальные свойства мира. На синхротронах электронный пучок создает электромагнитное излучение, с помощью которого химики, биологи и физики разрабатывают новые лекарства, вакцины и исследуют материалы. Но, чтобы пучок "заработал", его сначала нужно получить.

Стандартный продольный размер электронного пучка в синхротроне СКИФ - около сантиметра. А с помощью фотопушки его можно уменьшить до долей миллиметра. На основе СВЧ-фотопушек планируется создать лабораторный стенд для изучения структуры и свойств объектов на атомарном уровне в реальном времени.

Сейчас подобные исследования проводят, например, на пользовательских станциях Новосибирского лазера на свободных электронах (ЛСЭ), они запланированы и на станции "Структурная диагностика" ЦКП "СКИФ". Но установки на основе фотопушек помещаются в стандартную комнату, тогда как ускорительные комплексы СКИФ и ЛСЭ занимают сотни квадратных метров.

"Чтобы начать работать с электронным пучком, нужно его получить, и здесь не важно, куда он должен полететь дальше - в коллайдер, синхротрон или промышленный ускоритель. Зарождаются пучки частиц в электронной пушке. В зависимости от того, какая конечная цель у ускорительного комплекса, пучок будет обладать разными характеристиками", - рассказала младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН и ЦКП "СКИФ" Кристина Сибирякова.

Для получения электронов в ускорительном комплексе могут использоваться термоэмиссионная пушка и термокатод: под воздействием температуры и электрического поля с поверхности катода начинается эмиссия электронов, которые затем преобразуются в пучок.

"Так мы получаем пучок электронов на синхротроне СКИФ. Но если мы хотим получить короткие пико- или фемтосекундные пучки, да еще и с большим пиковым током, то термопушка уже не эффективна. В таком случае нужно использовать фотопушки и фотокатоды", - пояснила Кристина Сибирякова.

В случае с фотопушкой работает фотоэффект, выход электронов с освещаемой лазером поверхности катода. Чем короче лазерный импульс, тем короче пучок электронов на выходе. "Длительность пучка - это, скажем так, заводская настройка. Если у тебя есть пико- или фемтосекундный лазер, значит, ты можешь получать ультракороткие пучки. А вот заряд, размер пучка, угловая расходимость частиц и другие характеристики зависят от поперечных характеристик лазерного пятна и его интенсивности. Кроме этого параметры пучка сильно зависят от материала фотокатода и его поверхности", - добавила Кристина Сибирякова.

Для разных режимов работы нужна специальная система управления лазером. Ее разработали и создали совместно с коллегами из института автоматики и электрометрии СО РАН (ИАиЭ СО РАН). Сейчас в ИЯФ СО РАН разработана первая итерация фотопушки с системой синхронизации. На установке прошли "холодные" измерения (без СВЧ-мощности), на которых получены нужные распределения полей и частоты. Впереди - сборка и запуск стенда для проверки вакуумной прочности, подача СВЧ-мощности в фотопушку и изучение темновых токов.

"СВЧ-фотопушка - это весьма продвинутый источник электронного пучка высокого качества, то есть с ультракороткой длительностью и малым эмиттансом. Такие приборы востребованы в системах инжекции лазеров на свободных электронах или источников синхротронного излучения. Они применяются в электронных микроскопах и для исследования атомной структуры методами сверхбыстрой электронной дифракции. Кроме того, сам факт того, что коллектив способен создавать такие сложные СВЧ-устройства, говорит о росте его компетенций, квалификации и мастерства", - прокомментировал разработку заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, академик РАН Евгений Левичев.