Vabaelektronlaser (FEL): tööpõhimõte, sagedusala ja rakendused

Vabaelektronlaser (FEL): tööpõhimõte, häälestatav sagedusala mikrolainetest röntgenini ja rakendused meditsiinis, materjaliteaduses, nanotehnoloogias ning teadusuuringutes.

Vabaelektronlaser ehk FEL on laser, mis toodab väga eredat valgusvihku. See ei ole tavaline laser, vaid seade, mis kasutab laseri tekitamiseks vabalt liikuvat relativistlikku elektronikiirt — seetõttu nimetatakseki seda vabaelektronlaseri. Nagu teisedki optilised allikad, kiirgab FEL sidusast elektromagnetilisest kiirgusest koosnevat kiirt ja võib saavutada väga suure võimsuse ning kõrge ereduse.

Tööpõhimõte

FEL-i tuumaks on relativistlik elektronikiir, mis liigub läbi perioodilise magnetvälja — tavaliselt nimetatakse seda undulaatoriks või wiggleriks. Kui elektronid läbivad sellist magnetilist konfiguratsiooni, tekitavad nad transversaalsed võnkumised ja kiirgavad sünkrotronkiirgust. Magnetvälja ja elektronikiiruga toimuv vastastikmõju võib viia elektronide sellise ajakohastumiseni (nn mikrobunching), mille tulemusena tekib koherentne võimendus ja kiiresti kasvav laservalgus.

Selle põhimõtte olulised aspektid lühidalt:

• Elektronkiir — kõrge energia (tavaliselt mitu kümneid MeV kuni mitu GeV sõltuvalt lainepikkusest) ning madala hajuvusega.
• Undulaator/wiggler — perioodiline magnetiline struktuur, mis paneb elektronid võnkuma ja kiirgama.
• Koherentne võimendamine — algne spontaanne kiirgus võib seada protsessi käima; SASE (self-amplified spontaneous emission) on üks levinud töötamisviis, kuid kasutatakse ka siemendatud (seeded) skeeme, et parandada koherentsust ja stabiilsust.

Sagedusala ja häälestus

Erinevalt gaasi-, vedeliku- või tahkislaseritest, kus elektronid on seotud aatomitega, võimaldab FEL väga laia ja pideva häälestusala. FEL-e on ehitatud lainepikkustele alates mikrolainetest ja terahertsikiirgusest kuni infrapunani, nähtavasse spektrisse, ultraviolettkiirgusesse ja isegi röntgenikiirgusesse. Lainepikkuse häälestamine toimub peamiselt kahe viisi kaudu:

• muutes elektronide energia (suurem energia → lühem lainepikkus),
• muutes undulaatori perioodi või magnetvälja tugevust (undulaatori ava ehk "gap").

Ligikaudne seos lainepikkuse ja seadme parameetrite vahel on: lainepikkus on umbkaudu undulaatori perioodi jagatud 2γ²-ga (γ — relativistlik tegur), korrigeerituna faktoriga, mis sõltub undulaatori tugevusest (K‑parameeter). See seletab, miks X‑ray FELid vajavad mitme GeV suuruseid elektronkiire.

Peamised omadused ja eelised

• Väga lai sagedusala ja häälestatavus — üks seade katab suuri lainepikkusi, mida tavalised laserid ei suuda.
• Väga kõrge eredasus ja heledus — FELid on sageli maailma eredaimad optilised allikad antud lainepikkusel.
• Lühikesed impulsid — sageli femto- kuni pikosekundilised impulsid, mis võimaldavad jälgida väga kiireid protsesse (pump‑probe eksperimendid).
• Polariseeritav valgus — erilise undulaatoridisaini (nt helical undulator) abil saab genereerida erinevat polariseeritust.

Rakendused

FEL-e kasutatakse väga laiade teadus- ja tehnoloogiaalaste eesmärkide jaoks, näiteks:

• struktuuribioloogia ja valguspõhine makromolekulide difraktsioon (protein crystallography) — eriti röntgen‑FELid võimaldavad määrata keeruliste valkude struktuure, mis ei sobi traditsiooniliste meetoditega;
• aine dünaamiliste protsesside uurimine ajas (ultrafast chemistry/physics) — reaktsioonide käigu jälgimine femtosekundilises skaalas;
• materjaliteadus — elektronide, magnetismiga ja korrelatsioonidega seotud nähtuste uurimine;
• meditsiinilised ja biotehnoloogilised rakendused — kõrglahutusega tomograafia ja eriotstarbelised visualiseerimistehnikad;
• tööstuslikud ja tehnoloogilised rakendused — näiteks nanoskaala töötlemine ja mõnede spetsiifiliste protsesside käivitamine;
• kõrge energiaga ja fundamentaalne teadus — tihti kasutusel kõrge energiatiheduse füüsikas ja nukleaarsete protsesside uuringutes.

Ajalugu ja suured rajatised

Vabaelektronlaseri idee ja varajane praktika ulatuvad 1950.ndatesse — Hans Motz ja kolleegid ehitasid 1953. aastal Stanfordis esimese undulaatori. Tegelik FEL kui selline leiutati 1976. aastal John Madey poolt samuti Stanfordi ülikoolis; Madey kasutas oma töödes 24 MeV elektronikiirt ja 5 m pikkust undulaatorit, et näidata signaali võimendamist. Sellest alates on rajatud mitmeid suuri taristuüksusi üle maailma, näiteks LCLS (USA), FLASH (Saksamaa), European XFEL (Euroopa) ja FERMI (Itaalia), mis pakuvad teadlastele kõrgetasemelist röntgen- ja UV‑allikat.

Energiakasutus ja tehnilised nõuded

FELid nõuavad olulisi ressursse: tugevaid elektronkiire, kõrget RF‑võimsust kiirendamiseks, täpset magnetilist korraldust ja sageli suuri jahutussüsteeme. Selle töö vähendamiseks on arendatud energia taaskasutamisega lineaarkiirendeid (energy recovery linacs, ERL), kus kõrge energiaga elektronid pärast kasutamist suunatakse tagasi ja nende energia taaskasutatakse, vähendades oluliselt kogu süsteemi energiatarvet ja toimimiskulusid.

Piirangud ja ohutus

Kuigi FELid on äärmiselt võimsad ja paindlikud, on neil ka piirangud: keeruline tehniline ülesehitus, kõrged kulud ja suur infrastruktuur. Lisaks tekitavad röntgen- ja kõrgeenergia UV‑kiired potentsiaalseid ohte inimesele ning nõuavad rangeid kiirgusohutuse meetmeid ja kiirguskaitset rajatistes.

Vabaelektronlaserid on paindlikud ja üha olulisemad kaasaegses teaduses ja tehnoloogias. Nende võime toota ülimadala kestusega, ülimalt eredat ja laialt häälestatavat koherentset kiirgust avab uusi võimalusi nii fundamentaaluuringuteks kui ka praktiliste rakenduste arendamiseks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on vabade elektronide laser?

K: Millist sagedusvahemikku katab vabade elektronide laser?

K: Kes leiutas vabaelektronlaseri?

K: Mida kasutati signaalide võimendamiseks varajaste FEL-ga tehtavate katsete puhul?

K: Kes töötas välja varasema versiooni sellest, millest hiljem sai FEL?

K: Kui palju elektrienergiat kasutavad FELid töötades?

K: Kuidas saavad teadlased vähendada tööks vajalikku energiat?

Otsing