Цифровой журнал «Компьютерра» № 35

Еще нужно отметить, что в электронных пучках средняя мощность (произведение энергии электрона на ток пучка), может быть очень большой, и нужно просто суметь отобрать часть этой мощности. Например, в электронных накопителях энергия электрона — несколько ГэВ, и ток может быть 1 ампер, и получаем один гигаватт средней мощности. Если от них отобрать хотя бы одну тысячную, то уже будет довольно большая мощность (в нашем примере — один мегаватт).

На самом деле электронные накопители для мощных ЛСЭ не подходят, но наш пример демонстрирует, что в электронных пучках может быть большая средняя мощность. Итак, для мощных ЛСЭ нужен мощный электронный пучок. Чтобы его получить, надо построить специальный ускоритель, так называемый ускоритель-рекуператор. Этим мы и занимаемся.

- Где, когда и кем были построены первые ЛСЭ?

- ЛСЭ являются ближайшими родственниками вакуумных электронных сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов магнетронов, клистронов и, особенно, ламп бегущей волны. В них тоже используется электронный пучок, и тоже часть его мощности переводится в мощность электромагнитных волн, только длины волн другие. Поэтому к ЛСЭ люди подходили с разных сторон. Одна из сторон: это просто совершенствование вакуумных электронных СВЧ приборов.

Одним из первых шагов в создании ЛСЭ можно считать статью П. Л. Капицы и П. А. М. Дирака (1933), где был описан так называемый эффект Капицы-Дирака, то есть вынужденное комптоновское рассеяние, происходящее вследствие группировки электронов в поле стоячей электромагнитной волны. В некотором смысле этот эффект лежит в основе устройства ЛСЭ, но работа П. Л. Капицы и П. А. М. Дирака была надолго забыта, потому что тогда этому не нашлось практического применения.

Затем В.Л. Гинзбургом в 1947 году были предложены ондуляторы. Это такие устройства, в которых электроны летят по периодически искривленной траектории (она напоминает синусоиду). В ондуляторах электроны излучают довольно интенсивно.

Изначально они были предложены для того, например, чтобы детектировать космические лучи. В. Л. Гинзбург рассчитал параметры этого излучения — его спектральные свойства и угловую направленность.

После этого в 50-е гг, в Америке Ганс Моц построил такую магнитную систему, и называл ее «ондулятор». Он поставил ее на электронный пучок линейного ускорителя, измерил параметры излучения и показал, что, действительно, электроны в такой системе могут интенсивно излучать. Потом ондуляторы были использованы и для генерации рентгеновского излучения в современных накопителях, то есть не на ЛСЭ, а просто как источники спонтанного рентгеновского излучения. Они были использованы и в ЛСЭ.

В 1960 г в Америке Р. Н. Филлипс построил СВЧ прибор, генератор сверхвысокочастотных волн, который назывался убитроном. В нем электроны проходили через ондулятор (то есть все было как в ЛСЭ), но только электронный пучок имел довольно низкую энергию. В результате длина волны была сантиметровой, а не миллиметровой, или субмиллиметровой, как в современных ЛСЭ. Это еще один этап в создании ЛСЭ в их современном понимании.

Дальше проблема была в том, чтобы создать достаточно хороший электронный пучок с малыми размерами, с малыми угловыми разбросами для того, чтобы генерировать не сантиметровое излучение, а более коротковолновое. И этот шаг был сделан позже, в 1976 году.

Группа Джона Мэйди в Америке построила сверхпроводящий ондулятор. Они использовали очень хороший пучок из своего сверхпроводящего высокочастотного ускорителя и продемонстрировали усиление и генерацию электромагнитного излучения на длине волны около трех микрон.

Вот это и считается первым работающим ЛСЭ. В нем было практически все то, что есть в современных ЛСЭ: ондулятор, электронный пучок малого размера, оптический резонатор. Он работал следующим образом. Световой пучок, проходя вместе с электронным, усиливается. В лазере установлены два зеркала, последовательно отражающие свет. После этого свет опять проходил через тот же усилитель (ондулятор с электронным пучком). Так происходило многократное усиление сигнала до тех пор, пока не наступало насыщение.

После работ группы Мэйди многие заинтересовались ЛСЭ и стали делать их на разных ускорителях.

Одной из самых важных частей этой проблемы было создание такого ускорителя, который обеспечивал бы нужный пучок для ЛСЭ. Многие группы занялись решением этой задачи, и мы тоже. В нашем Институте ядерной физики ЛСЭ начали заниматься в 1977 году, были написаны теоретические работы В. Н. Байером и А. И. Мильштейном, а также А.Н. Скринским и мной.

В нашей работе предлагалось усовершенствовать ЛСЭ. Это усовершенствование назвали оптическим клистроном. Мы сделали небольшую модель, которую потом поставили на электронный накопитель ВЭПП-3. Так началась работа с ЛСЭ в нашем институте.

- На каких длинах волн работа ЛСЭ будет оправдана?