В інституті ядерної фізики ім. Г. І. Будкера со ран (іяф со ран) запущений перший в світі лазер на вільних електронах, що використовує ондулятор з плавно змінним періодом. Оригінальний ондулятор, що нагадує гармошку, запропонований, сконструйований і виготовлений в іяф со ран, і включає в себе сто магнітних полюсів. Розробка вкрай важлива для користувацьких установок — лазерів на вільних електронах і джерел синхротронного випромінювання, оскільки дає змогу істотно розширити діапазон генерованого випромінювання і спростити роботу користувачів — фізиків, хіміків, біологів та ін.
Новосибірський лазер на вільних електронах (лсе) — джерело потужних пучків терагерцового випромінювання — є однією з головних користувальницьких установок сибірського центру синхротронного та терагерцового випромінювання (сцсти) со ран. Середня потужність випромінювання лазера-рекордна в світі, що дозволяє проводити на установці унікальні експерименти в галузі фізики, хімії, біології, матеріалознавства та медицини. Також до складу сцсти со ран входить два джерела синхротронного випромінювання: накопичувач вепп-3 і електрон-позитронний коллайдер вепп-4м. Синхротронне випромінювання (сі) — це електромагнітне випромінювання заряджених частинок, які рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, по траєкторіях, викривленим за допомогою магнітного поля. Для створення магнітного поля використовуються поворотні магніти і ондулятори, або вігглери.
Ондулятори-основні елементи в джерелах синхротронного випромінювання і лазерах на вільних електронах. Це магнітні системи, які створюють знакозмінне періодичне магнітне поле. Це поле потрібно для того, щоб проходять в ньому електрони набували хвилеподібну траєкторію. При русі зарядів по цій траєкторії вони випускають випромінювання досить високої потужності. Для зміни довжини хвилі цього випромінювання необхідно змінювати параметри магнітної системи.
У більшості ондуляторів, які працюють на установках по всьому світу, довжина хвилі випромінювання регулюється зміною величини магнітного поля, при цьому період ондулятора залишається тим же. В електромагнітних ондуляторах змінюються струми, в ондуляторах на постійних магнітах — робочий зазор, в результаті змінюється магнітне поле і випромінювана довжина хвилі. Але при зміні величини магнітного поля діапазон перебудови невеликий. «механічно набагато простіше поміняти зазор ондулятора, ніж період,-прокоментував завідувач лабораторією іяф со ран член-кореспондент ран микола винокуров. — щоб змінювати період, необхідно систему розсовувати, як гармошку, а це складне завдання. Ми здогадалися використовувати для її вирішення розштовхування постійних магнітів. Що це означає? постійні магніти можуть не тільки притягуватися один до одного, але і сильно відштовхуватися однойменними полюсами. Нами була запропонована конструкція, де магніти відштовхуються, як якщо б між ними були пружини, тільки замість пружин — магнітне поле. Раз між елементами є розштовхування, то досить зафіксувати краю і рухати їх взад-вперед».
Головна перевага нового ондулятора полягає в тому, що завдяки оригінальній конструкції вдається отримати більший діапазон перебудови довжини хвилі випромінювання. «пристрій дійсно нагадує гармошку: так само зсувається і розсувається, з тією лише різницею, що замість хутра-сто магнітних полюсів, які і створюють змінне магнітне поле, — пояснив науковий керівник наукового напрямку сі академік ран геннадій куліпанов. — це досить довга конструкція. Найголовніше, що в ній реалізовано — те, що при зміні довжини хвилі триває генерація випромінювання лазера на вільних електронах. Застосування таких ондуляторів дозволяє розширити діапазон перебудови довжин хвиль для джерел сі і лсе. Міняти період стало можливим практично одним натисканням кнопки. Запропонувати це було важливо, але ще важливіше — сконструювати і виготовити».
Вперше ідея ондулятора була представлена дванадцять років тому провідним науковим співробітником іяф з ран кандидатом фізико-математичних наук олегом шевченком на конференції з лазерів на вільних електронах. Після цього лабораторією 8-1 і науково-конструкторським відділом інституту при визначальній участі старшого наукового співробітника іяф со ран володимира ческидова була спроектована оригінальна конструкція, в якій були реалізовані унікальні механічні рішення. Наприклад, для забезпечення мінімального тертя між секціями ондулятора і напрямними була запропонована спеціальна система на підшипниках кочення. Також нко розробив систему для магнітних вимірювань.
Потім ондулятор був і виготовлений в експериментальному виробництві іяф со ран. Робота була підтримана грантом російського наукового фонду 14-12-00480»розробка і виготовлення прототипу ондулятора зі змінним числом періодів і дослідження його магнітного поля». Після вивчення магнітного поля ондулятора при різних періодах було вирішено поставити його замість одного зі старих електромагнітних ондуляторів на унікальну наукову установку» новосибірський лсе», але щоб запустити пристрій в роботу, довелося дещо зробити додатково-зокрема, вакуумну камеру і підвіски на установку.
За словами вчених, ондулятор зі змінним періодом — не просто ноу-хау, це перший пристрій такого типу, який працює на діючій установці. В даний момент команда установки «новосибірський лсе» вивчає, як змінюється довжина хвилі в різних діапазонах зміни періоду. Таким чином дослідники отримують інформацію про те, які мінімальні і максимальні довжини хвиль, відповідні різним періодам, дозволяє отримати ондулятор.
На новосибірському лсе працюють користувачі з декількох інститутів сибірського відділення ран і нгу, а також з університетів і дослідницьких інститутів москви, санкт-петербурга, нижнього новгорода, самари, південної кореї та німеччини. Тут проводяться наукові дослідження в області вивчення кінетики хімічних реакцій, молекулярної спектроскопії, молекулярного магнетизму, біології, медицини, фізики напівпровідників, матеріалознавства та фізичної оптики. 1>«>» нашим користувачам потрібна перебудовується довжина хвилі, вони хочуть працювати з випромінюванням в різних діапазонах, і тепер їм стане набагато зручніше вести дослідження, — сказав микола винокуров. — основна перевага, якого ми домагаємося-розширення діапазону перебудови довжини хвилі. Ми припускаємо, що тепер ця перебудова буде займати значно менше часу, і, відповідно, можна буде швидше змінювати довжини хвиль».
Установка «новосибірський лсе» включає в себе три лазера на вільних електронах, які працюють в різних діапазонах довжин хвиль. Відповідно, споживачі можуть використовувати випромінювання і від першого, і від другого, і від третього. В даний момент для оптимізації роботи установки один з електромагнітних ондуляторов замінений на ондулятор на постійних магнітах зі змінним періодом. У найближчі роки планується замінити ще один електромагнітний ондулятор на ондулятор зі змінним періодом. Другий ондулятор буде відрізнятися від першого конструкцією і властивостями. Зокрема, якщо в першому використовувалися стандартні постійні магніти, то для другого будуть виготовлені на замовлення магніти складної форми, що дозволяють отримати більше поле в робочій області ондулятора.
Якщо буде забезпечено належне фінансування, нові ондулятори можна буде використовувати в різних перспективних проектах, в тому числі пов’язаних з джерелами синхротронного випромінювання. «буквально днями підписано угоду з міністерством науки і вищої освіти рф щодо розробки нових підходів до створення джерел сі. Нам виділено грант у формі субсидії на розробку спеціалізованих ондуляторів та електронного накопичувача, на який ці ондулятори будуть встановлені. Ми збираємося продовжувати дослідження, спрямовані на розширення можливостей лсе та інших джерел випромінювання, що працюють в різних діапазонах довжин хвиль, у тому числі в рентгенівському», — підкреслив микола винокуров.
