ЕСТЬ ПЕРВАЯ ГЕНЕРАЦИЯ!

4 апреля 2003 г. в Сибирском центре фотохимических исследований СО РАН получена генерация излучения на первой очереди мощного лазера на свободных электронах (ЛСЭ). К этому результату сибирские ученые шли более 10 лет. Длина волны полученного излучения — около 100 микрон, измеренная средняя внутрирезонаторная мощность — пока 2 кВт. Вторая очередь ЛСЭ будет иметь среднюю мощность порядка 100 кВт в диапазоне длин волн 5—15 микрон. Работу ведут ученые и специалисты Института ядерной физики имени Г.И.Будкера и Института химической кинетики и горения в рамках интеграционного гранта СО РАН. Перед лазерной фотохимией открываются широчайшие перспективы.

Корреспондент "НВС" Юрий Плотников беседует с руководителями и специалистами проекта — членом-корреспондентом РАН Геннадием Кулипановым и докторами наук Николаем Винокуровым и Александром Петровым.

— Когда в Институте ядерной физики зародилась идея создания мощного лазера на свободных электронах, — вспоминает Александр Петров, доктор химических наук, заведующий лабораторией лазерной фотохимии Института химической кинетики и горения (ИХКиГ), — академик А.Скринский задал академику Ю.Молину прямой вопрос, смогут ли химики найти применение такой установке, если она окажется в их распоряжении. "Смогут, и не одно", — последовал столь же прямой ответ. Был разработан совместный проект двух институтов, в 1993 году одобренный постановлением Президиума СО РАН за подписью Валентина Афанасьевича Коптюга: "Считать целесообразным организовать Новосибирский центр фотохимических исследований на базе лазера на свободных электронах, предусматривая в перспективе придание ему статуса международного". И это закономерно — потенциал межнаучной, междисциплинарной интеграции был накрепко заложен отцами-основателями в конструкцию Академгородка".

Установка "Мощный лазер на свободных электронах" перед пуском

Корпус под новую установку предоставил ИХКиГ, что существенно удешевило проект. Это здание имеет, наверное, 100-кратный запас прочности по радиационной защите. Если бы в нынешних условиях пришлось еще и строить с нулевого цикла, конец этой эпопеи довелось бы увидеть не скоро. Даже в готовом здании на перестройки и переделки ушли годы: соорудили перекрытие между 1-м и 2-м этажами, прорубили ворота для провоза габаритных грузов, смонтировали подъемный кран, ездящий под потолком, и только после этого начали устанавливать отдельные узлы по мере очередности. "Была черновая, грязная, пыльная работа, так что первые лет пять я даже не очень в это верил, — признается А.Петров. — Тем больше сейчас ощущение праздника".

Разработкой научного проекта, подготовкой технической документации, изготовлением "железа" занимался ИЯФ. "Мы начинали почти с нуля, многое пришлось придумывать заново, — рассказывает доктор физ.-мат. наук Николай Винокуров, завлаб из объединенной лаборатории Г.Н.Кулипанова, в недрах которой и создана ЛСЭ-установка. — Зато было изобретено много новых узлов и компонентов, которые можно с успехом применять и в других местах". Высокочастотная система, ускоряющая электроны, является уникальной, поскольку мощность, которую она дает — рекордная на этой длине волны. Для этой системы новосибирскими физиками разработаны и испытаны принципиально новые ВЧ-резонаторы, снаружи — стальные, изнутри — медные. Корпуса резонаторов делают на тамбовском заводе "Комсомолец", где в совершенстве овладели технологией изготовления биметаллических конструкций. Но большая часть оборудования изготовлена в ИЯФе силами собственного экспериментального производства.

Под водительством Н.Винокурова мы отправляемся на экскурсию в ускорительный зал. Когда ускоритель работает, здесь находиться нельзя. Но мы попали в вынужденный перерыв по технической причине — сгорел тетрод. "Большая такая лампа, — объясняет Николай Александрович, описывая руками фигуру, размерами и формой напоминающую порядочное ведро. — Стоит 300 тысяч рублей. Сейчас из ИЯФа доставили новую, ставим взамен сгоревшей". Большую часть установки занимает именно ускоритель, который создает для лазера электронный пучок. Собственно ЛСЭ стоит на полу под ускорителем и состоит из двух узлов — ондулятора и оптического резонатора. Идея такова — пучок электронов пролетает через секцию со знакопеременным магнитным полем. Под действием этого поля электроны вынуждены лететь не по прямой, а по некоей синусоидальной, волнообразной траектории. Отсюда и название — ондулятор (сразу вспоминается "ондулянсион на дому" из русской классики, попросту говоря, завивка. — Авт.). Совершая это виляющее движение, релятивистские электроны излучают свет, который по прямой попадает в оптический резонатор, представляющий собою толстую трубу, внутри которой — сумасшедший вакуум (10 в минус десятой миллиметров ртутного столба). На противоположных концах трубы — два массивных медных зеркала. Метаясь от зеркала к зеркалу, свет набирает приличную мощность, часть которой выводится к потребителю. Электроны же, отдавшие энергию в электромагнитное излучение, разворачиваются через систему поворотных магнитов, возвращаются в ВЧ-резонаторы и там тормозятся. После этого их остается только собрать в поглотителе. Процесс этот называется рекуперацией энергии пучка. Благодаря ему сильно снижается радиационная опасность установки — в зал можно заходить сразу же после отключения электронной пушки. Безопасность заложена в конструкции.

Тост за успешный пуск

Чем же так хорош лазер на свободных электронах? Во-первых, он способен давать мощное монохроматическое (т.е. с одной длиной волны) излучение. Во-вторых, он может длину волны менять. Последнего другие лазеры не могут — каждый работает в своем диапазоне. А химикам, к примеру, интересны разные длины волн, потому что молекулы-то тоже разные. Эти молекулы нужно в резонанс раскачивать, а у каждой — своя резонансная длина волны. Где на всех лазеров наберешься? Поэтому сегодня лазерная фотохимия вынуждена подстраивать свои эксперименты под возможности имеющихся в наличии лазеров, в то время как лазер на свободных электронах сам настраивается на потребности эксперимента. В зависимости от энергии электронов, от периода ондулятора, от поля в магнитах, что в ондуляторе стоят, оператор может менять длину волны излучения, на что требуется около 10 минут. Перед лазерной фотохимией открываются ошеломляющие перспективы. "Но машина очень дорогая. Где ее можно использовать? — размышляет Винокуров. — Естественно, резать металл на такой установке крайне невыгодно. На выходе должны быть научные результаты или технологические приложения, которые, с одной стороны, очень нужны, с другой — стоят дорого".

"Вначале мы должны были получить достаточно большую энергию электронов — около 100 МэВ, — рассказывает Геннадий Николаевич Кулипанов. — Такая энергия необходима, чтобы получать излучение с длиной волны 2 микрона и более. Но весь проект сразу не потянули — все элементы ЛСЭ мы создаем в основном не на бюджетные, а на свои заработанные средства. Вначале мы сделали однодорожечный вариант, который первоначально не планировался. Энергия здесь всего 14 МэВ, а диапазон — от 100 до 200 микрон, т.е. длинноволновое инфракрасное излучение. Этот диапазон в последние годы становится очень популярным. Часто его называют терагерцовым излучением или Т-лучами. Но и под него уже есть задачи — проявляют заинтересованность специалисты по оптике атмосферы, коллеги из Института катализа, из ГНЦ "Вектор".

В полную мощь Центр развернется через несколько лет, после запуска второй очереди ЛСЭ. До конца нынешнего года физики обещают закончить ее проект, а на будущий год планируют приступить к изготовлению отдельных элементов. Вторая очередь сделает возможными не только научные результаты но и технологические приложения. "Сегодня я вижу, по крайней мере, два прообраза технологий, — делится мыслями Александр Петров, представляющий сторону научного заказчика в Центре фотохимических исследований. — Один — разделение изотопов, другой — получение наночастиц нужного размера".

Безусловно, разделение изотопов является сегодня визитной карточкой лазерной фотохимии. У новосибирских ученых есть хорошие заделы по кремнию, углероду, кислороду и азоту. "С кремнием есть проблемы, — не скрывает Петров. — Микроэлектроника требует очень высокой чистоты. Самые большие сложности возникнут не у нас, а у людей, синтезирующих исходное вещество — оно должно быть невероятно чистым. Наверное, с кремнием мы поступим так: проведем пилотные эксперименты, продемонстрируем реальную возможность, а потом будем приглашать специалистов по очистке из Нижнего Новгорода, Красноярска, Москвы, Иркутска... Здесь должен существовать тандем — это нельзя сделать в одиночку. А с углеродом мы можем работать и сами. Методика разделения отработана: настраиваем лазер на частоту изотопа С-12, выжигаем его, а С-13 остается. За один проход содержание "тринадцатого" углерода, которого в природе всего 1%, возрастает до 23%. С помощью катализатора мы переводим его обратно в муравьиную кислоту, на молекуле которой эти эксперименты и проводятся, осуществляем второй цикл — и получаем 99,9%! А муравьиная кислота — продукт тоннажный, Институт катализа умеет синтезировать ее в любых количествах. Мы можем наладить этот бизнес в рамках Сибирского отделения".

Другой прообраз технологии — лазерная абляция. Это приложение может оказаться даже более многообещающим, чем разделение изотопов. Термин заимствован из гляциологии, где означает испарение ледников под действием солнечного света. В быту этим методом пользуется каждая хозяйка, которая сушит белье на морозе. Но мы говорим о высоких технологиях. Так вот, если мощным потоком энергии воздействовать на твердую подложку, она выбрасывает мелкие частицы, которые можно осадить на какую-то поверхность. Для чего это нужно? Пример, понятный любому человеку — дисплей компьютера. Светящаяся поверхность экрана покрыта слоем мельчайших частиц сульфида цинка и сульфида кадмия. Когда на них попадает электронный пучок, они начинают люминесцировать, и мы видим изображение — чем меньше частицы, тем выше разрешение. При этом крайне важно, чтобы они были еще и одинаковых размеров. Но как этого достичь? В Институте химии твердого тела на шаровых мельницах получают частицы до 30 нанометров в диаметре. Но... там ведь присутствует и материал шаров! Абляция лазерным лучом позволяет "вышибать" наночастицы чистого материала. Но это не единственное достоинство лазерного метода.

"Прежде чем стрелять лучом, надо знать спектр подложки, — объясняет Петров. — Там, где нет поглощения, излучение проникает глубоко, и вылетают крупные частицы. А если поглощение очень большое, излучение поглощается в микрослое, и летит пыль. Это путь к получению частиц заданных размеров! Представьте: приходят к вам технологи и заказывают частицу в три микрона плюс-минус один. Я записываю спектр этого твердого тела, определяю нужную длину волны, в минуты перестраиваю лазер — получите, что просили! Как идея? Кстати, в той области, которая у нас сейчас генерирует, сульфид цинка и сульфид кадмия имеют поглощение. Мы с этого начнем!

Великий физик Петр Леонидович Капица, Нобелевский лауреат, наша гордость, говорил очень правильные слова: "Наука — это то, чего не может быть. А что может быть — это научно-технический прогресс". Я думаю, что мы попытаемся в первую очередь делать то, чего не может быть. Давайте попробуем!"

Фото В.Новикова и А.Орешкова.

стр. 1, 3