Международная группа ученых в состав которой вошли ученые из Сколтеха придумала новый метод cоздания более интенсивного рентгеновского и гамма излучения на основе эффекта Комптона. Результаты работы были опубликованы в престижном научном журнале Physical Review Letters, а изобретение находится в процессе международного патентования.
Эффект Комптона похож на игру в теннис, только несколько необычную. Роль ракетки выполняет электрон, а роль мячика — фотон. Фотон при отражении от быстрой ракетки-электрона приобретает дополнительную энергию. Лететь быстрее фотон уже не может — мешает ограничение на скорость света, а вот поменять цвет, то есть длину волны — запросто. С помощью этой нехитрой игры можно преобразовывать длину волны фотона из видимого диапазона в рентген и в гамма излучение. Источники рентгеновского и гамма диапазона на обратном (линейном) эффекте Комптона широко распространены по всему миру и обычно состоят из ускорителя электронов и лазерной системы. Основным преимуществом таких источников является генерация тонкой линии излучения, длину волны которой можно легко менять с помощью изменения энергии электронов.
Довольно очевидным способом увеличения количества генерируемых рентгеновских фотонов является увеличение интенсивности лазерной системы. Иными словами, чем компактнее сожмут в пространстве пучок лазерного излучения (считая, что дифракция мала) – тем больше будет столкновений лазерных фотонов с электронами. Это давно известно, равно как и то, что увеличение мощности лазерного излучения приводит к значительному уширению спектра излучения – «размыванию» фотонов по разным энергиям. Дело в том, что тут в игру вступает световое давление, которое замедляет электроны. То есть ракетка, отбивая сразу большое количество маленьких теннисных мячиков замедляется, что приводит к тому, что мячики при отражении приобретают меньше энергии. Это происходит из-за того, что мощное лазерное излучение имеет импульсную структуру, оно сначала медленно растет, а затем медленно спадает. Таким образом, световое давление неравномерно, и замедление электронов разное в разные моменты времени, что как раз и приводит к разной энергии рассеянных фотонов.
Команда ученых в состав которой вошел профессор Сколковского института науки и технологий Сергей Рыкованов придумала новый метод генерации интенсивного моноэнергетического рентгеновского и гамма излучения на основе нелинейного обратного эффекта Комптона.
Сергей Рыкованов, профессор центра Сколтеха по научным и инженерным технологиям для задач с большими массивами данных:
“Уширение спектральной линии паразитно – ведь мы хотим получить источник с тонкой линией излучения на строго определенной длине волны. Совместно с Василием Хариным из Исследовательского Института в Москве и Даниэлем Зайптом из университета штата Мичиган в США, мы предложили очень простой способ убрать паразитное уширение Комптоновской линии излучения для мощных лазерных импульсов и значительно увеличить выход рентгеновских и гамма фотонов. Для этого необходимо в каждый момент времени аккуратно подстраивать частоту лазерного импульса под текущее значение интенсивности, то есть «чирпировать» импульс. Для достижения оптимального эффекта мы предложили использовать два линейно и противоположно чирпированных лазерных импульса, бегущих на определенном расстоянии друг от друга. На мойвзгляд, красота нашей работы – в ее простоте. Если честно, мы были очень удивлены насколько все просто и гладко получается, пришлось перепроверять несколько раз – не верили.”
Новое изобретение может существенно увеличить яркость современных и будущих синхротронных источников для исследований в медицине, ядерной физике и материаловедении.
Ученые упоминают, что часть расчетов была проведена на флагманском суперкомпьютере Сколтеха «Жорес», названного в честь нобелевского лауреата Жореса Алферова.
