ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, < 8, с. 3-11
УДК 539.1.08
ЛАЗЕРНО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2007 г. И. А. Артшков1, Е. Г. Бессонов1, А. В. Виноградов1, М. В. Горбунков1, Я. В. Зубавичус2, Б. С. Ишханов3, П. В. Костршков4, Ю. Я. Маслова1, Н. Л. Попов1, А. В. Посеряев3, А. А. Постнов1, Ю. Л. Словохотов2, 5, В. Г. Тункин4, Ю. А. Успенский1, Р. М. Фещенко1, Ю. В. Шабалин1, В. И. Шведунов3
1 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия 2Институт элементоорганических соединений им. А Н. Несмеянова, РАН, Москва, Россия 3НИИЯФ Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
4Международный лазерный центр Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия 5Химический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
Поступила в редакцию 26.06.2006 г.
Рассматриваются возможность создания и перспективы применения лазерно-электронного рентгеновского генератора, использующего томсоновское рассеяние лазерного излучения на релятивистских электронах. По своим техническим характеристикам (яркости, средней интенсивности, габаритам), а также по стоимости сооружения и эксплуатации такой генератор занимает промежуточное положение в ряду между рентгеновскими трубками и синхротронными источниками. Обсуждается конфигурация каналов и экспериментальных станций, предназначенных для применения рентгеновского лазерно-электронного генератора в исследованиях элементного состава и структуры материалов.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие технологий, связанных с генерацией и применением рентгеновского излучения, является важной составляющей научно-технического прогресса во многих секторах производства, включая металлургию, машиностроение, химическую и фармацевтическую промышленность, а также в таких областях человеческой деятельности, как медицина, оптовые поставки сельхозпродуктов и продуктов питания, экологический контроль, общественная безопасность, работа таможенных и пограничных терминалов и т.п. Для внедрения многих научных разработок в эти сферы деятельности исследователям также необходим постоянный доступ к источникам рентгеновского излучения.
Практически во всех источниках (генераторах) рентгеновское излучение возбуждается электронным пучком. Современные генераторы рентгеновского излучения можно разбить на два основных класса. К первому классу относятся рентгеновские трубки (с неподвижным или вращающимся анодом), ко второму - ускорители электронов: синхротроны и накопительные кольца. В рентгеновских трубках жесткое электромагнитное излучение возникает при торможении электронного пучка в материале анода, в ускорителях - при отклонении пучка в сильном магнитном поле.
Рентгеновские трубки используются в подавляющем большинстве серийных приборов и аппаратов. Трубки с неподвижным анодом достаточно надежны, компактны, просты в эксплуатации и сравнительно недороги - от сотен до нескольких тысяч долларов. Современные трубки с вращающимся анодом дают в 10-100 раз более высокую интенсивность излучения, однако они стоят десятки и сотни тысяч долларов и гораздо сложнее в эксплуатации. Общими недостатками этого класса рентгеновских источников являются отсутствие направленности рентгеновского пучка, широкий и, при заданном материале анода, практически неварьируемый спектр энергий, относительно малая интенсивность излучения и связанная с этим невозможность получения ярких монохроматических рентгеновских пучков с перестраиваемой энергией.
В отличие от рентгеновских трубок, синхротроны и накопительные кольца - это крупные энергоемкие исследовательские установки с замкнутой траекторией электронного пучка длиной в десятки и сотни метров. Во всем мире насчитывается около ста накопителей, предназначенных для получения рентгеновского синхротронного излучения (СИ). Это излучение обладает высокой яркостью, направленностью и широким спектром, благодаря чему возможно получение перестраиваемых по энергии достаточно интенсивных монохроматических пучков. Рентгеновское излучение, полу-
чаемое в специализированных синхротронных центрах, используется как для научных исследований, так и для практических приложений. Как правило, на одном накопительном кольце синхро-тронного центра устанавливаются приборы для различных исследовательских и прикладных задач; на этих приборах одновременно работают несколько десятков групп пользователей. Однако размеры и высокая стоимость (десятки и сотни миллионов долларов) современных синхротронных источников серьезно ограничивают масштабы их применения, которые не отвечают пока потребностям науки и практики. На сегодня в мире имеется лишь около 40 синхротронных центров коллективного пользования, которые расположены в наиболее технологически развитых и богатых странах. Отсутствие источников интенсивного рентгеновского излучения, массово доступных на уровне предприятий и исследовательских организаций, препятствует развитию новейших рентгеновских методов и технологий, а также их широкому использованию в науке, медицине и других отраслях.
Таким образом, в настоящее время имеется объективная потребность в новом источнике рентгеновского излучения, который заполнил бы разрыв, образовавшийся между рентгеновскими трубками и синхротронными центрами. От лабораторных генераторов на рентгеновских трубках такой источник должен унаследовать компактность и относительно невысокую стоимость, а от центров СИ - высокую интенсивность рентгеновского пучка и возможности управления его параметрами.
Рентгеновский источник, отвечающий сформулированным требованиям, может быть создан на основе комплексных установок, которые объединяют компактный сильноточный электронный ускоритель и лазер, испускающий интенсивные световые импульсы. Рентгеновское излучение в этом случае генерируется при встречном столкновении электронного и лазерного пучков; другими словами, фотоны высоких энергий рождаются в результате отклонения электронного пучка от прямолинейной траектории в поле интенсивной световой волны. Соответствующий элементарный процесс хорошо изучен и носит название томсоновского или комптоновского рассеяния (в зависимости от величины параметра Ейть1(тс1)2, определяющего величину квантовых поправок, Е - энергия электрона, - энергия лазерного фотона). С конца 70-х годов XX века комптоновское рассеяние на пучках релятивистских электронов служит эффективным способом получения у-квантов (вплоть до энергии ~2 ГэВ), используемых в фотоядерных реакциях. Однако для получения фотонов более низкой энергии (~10-100 кэВ), представляющих наибольший интерес для приложений, рентгеновские трубки и
синхротронное излучение до последнего времени оставались вне конкуренции.
В настоящее время ситуация изменилась благодаря достижениям лазерной и ускорительной техники. Новые твердотельные активные среды, использующие накачку лазерными диодами, диодными линейками и матрицами, позволяют генерировать и усиливать цуги пикосекундных световых импульсов в компактных устройствах и с высоким КПД. С другой стороны, современные электронные ускорители позволяют генерировать пучки с высокой яркостью, которые могут быть сфокусированы в пятно размером около 10 мкм, а современные ускоряющие структуры могут обеспечить темп ускорения до 50 МэВ/м, что позволяет создавать установки небольших размеров. Объединение лазеров и ускорителей в одном устройстве дает возможность создать относительно дешевый компактный источник интенсивного рентгеновского излучения для научных и прикладных целей. Такой источник, доступный для организаций и учреждений (заводов, университетов, клиник) не просто заполнит разрыв между рентгеновскими трубками и синхротронами: он способен превзойти их по целому ряду параметров, в том числе по экономической эффективности.
Перечислим основные преимущества лазерно-электронного (лазерно-ускорительного) рентгеновского генератора, определяющие перспективы его развития и применения: сравнительно узкий спектр (с шириной практически доступной области 3-5 кэВ), резко (скачком) обрывающийся в сторону высоких энергий; высокие интенсивность и направленность излучения (конус рассеяния ~1°); возможность перестройки спектра путем изменения магнитного поля ускорителя и (или) смены лазера; возможность управления временной структурой пучка в широком диапазоне длительностей импульсов и пиковой мощности; компактность (занимаемая площадь < 100 м2) и сравнительно низкое энергопотребление. Проектные параметры нового генератора позволяют реализовать на нем многие "синхротронные" рентгеновские методы, для которых недостаточно мощности рентгеновских трубок - EXAFS-спектроскопию (extended X-ray absorption fine structure), аномальное рентгеновское рассеяние в малых и больших углах ("элементный контраст"), разностную ангиографию и др. А поскольку излучение такого источника по энергетическому и пространственно-временному спектру отличается как от излучения рентгеновских трубок, так и от СИ, на его основе могут разрабатываться новые уникальные исследовательские и прикладные методики.
По-видимому, первыми потребителями лазер-но-электронных рентгеновских генераторов бу-
дут университеты и другие организации, в которых обучение специалистов и рентгеновские исследования в области материаловедения, кристаллохимии, белковой кристаллографии, биологии и медицины уже проводятся на серийной аппаратуре, использующей рентгеновские трубки.
ТОМСОНОВСКОЕ РАССЕЯНИЕ
НА РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНАХ
Работы по получению гамма- и рентгеновского излучения при рассеянии лазерных пучков на релятивистских электронах ведутся уже свыше 40 лет [1-5]. Обзор приложений комптоновского и томсоновского рассеяния лазерного излучения можно найти в [6, 7]. При комптоновском рассеянии лазерного излучения на пучках синхротронов и накопительных колец генерируются фотоны с энергией от сотен кэВ до 1.4 ГэВ, которые используются для исследования фотоядерных реакций. В настоящей работе речь идет о лазерно-электронном генераторе более мягких рентгеновских квантов с энергией 5-50 кэВ. Отметим, ч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.