Ученые ищут новые принципы получения Т-лучей

Зачем нужно терагерцевое излучение

Терагерцевое излучение (ТГц излучение; его также называют субмиллиметровым излучением, или просто «Т-лучами»), то есть электромагнитное излучение с субмиллиметровой длиной волны, занимает на шкале частот промежуточное положение между инфракрасным излучением и радиочастотным СВЧ-диапазоном. В этой спектральной области хорошо разработанные методы оптики и радиофизики встречают значительные трудности при решении проблем генерации и детектирования излучения, почему и оказывается трудно создавать и эффективные источники, и чувствительные приемники излучения. Именно поэтому о терагерцовом диапазоне часто говорят как о «терагерцовой щели», а также как о последнем неосвоенном диапазоне электромагнитных волн.

Между тем, у Т-лучей имеется множество полезных свойств. В отличие от рентгена, ТГц волны не производят ионизации и потому практически безвредны для человека. При этом сравнительно короткая длина волны позволяет сканерам на основе ТГц излучения идентифицировать даже самые мелкие предметы. Уже сегодня Т-сканеры заняли прочное место в службах безопасности аэропортов, вытеснив более опасные для здоровья человека рентгеновские аппараты.

При этом, ТГц сканеры можно использовать для просвечивания материалов, которые остаются невидимыми для рентгена - например, пластмассы. Это делает терагерцовые установки незаменимыми, скажем, для контроля качества в промышленности: с их помощью можно проводить интроскопию, то есть неразрушающее исследование внутренней структуры объекта. Можно также и мониторировать протекающие процессы, в том числе очень быстрые, такие как взрыв или генетические изменения в биологических объектах. Есть много приложений для Т-лучей и в области медицины.

Наконец, терагерцовый диапазон может быть использован для беспроводных широкополосных высокоскоростных систем связи, в частности, для будущего поколения мобильной связи 6G.

Важным направлением развития техники является также развития терагерцовой спектроскопии.

Антитеррористические службы давно поставили вопрос о создании портативного терагерцового сканера, который сотрудник службы безопасности мог бы носить по улице, в том числе, находясь в толпе. Решение этой задачи – равно как и других подобных задач, поставленных в промышленности, связи, медицине – вопрос будущего.

Именно поэтому такое большое значение имеют фундаментальные научные исследования в сфере генерации электромагнитного излучения.

Проблема генерации

Генерация терагерцевого излучения была одним из важнейших вопросов на прошедшей в НИЯУ МИФИ конференции «ТЕРА-2023». В целом, наиболее мощные и яркие источники электромагнитного излучения, в том числе и в ТГц диапазоне, уже созданные и только разрабатываемые, и огромные, типа синхротронов и лазеров-на-свободных-электронах, и компактные, типа гиротронов, оротронов, или всем известных магнетронов (которые есть в каждой микроволновой печи), - все они основаны на излучении быстрых электронных пучков. Электроны, имеющие околосветовую скорость, имеют просто гигантское количество энергии, и весь вопрос в том, как ее наиболее эффективно перевести в излучение электромагнитных волн, в нужном диапазоне, с нужными направленностью, поляризацией и другими важными характеристиками. Процесс может выглядеть, например, так: лазерный луч «выбивает» свободные электроны из металлической мишени (т.н. инжектора), эти электроны «подхватываются» электромагнитным полем, после чего их различными способами (например, с помощью переменного магнитного поля) ускоряют, в том числе просто меняя их направление; в тот момент, когда скорость электронов меняется (по величине или направлению), и излучаются фотоны. Другим интересным и практически важным способом излучения является прямое воздействие Лоренц-трансформированного кулоновского поля пучка релятивистских электронов на разного рода мишени – объекты, в том числе плазмонно-резонансные, или фотонные кристаллы, или метаматериалы и т.д. – что ведет к генерации излучения мишенью под действием поля быстрых электронов. И дальше уже дело физиков, чтобы, меняя параметры эксперимента, добиться излучения с нужными характеристиками.

Для проведения экспериментов с получением электромагнитного излучения из свободных электронов нужны ускорители или мощные лазеры. Сегодня российские ученые оказались в изоляции от зарубежных научных установок, и потому особое значение получил вопрос о строительстве собственных. Большие надежды специалисты возлагают на комплекс синхротронно-лазерного излучения «СИЛА», который строится в подмосковном наукограде Протвино под эгидой НИЦ «Курчатовский институт». Научная группа под руководством Алексея Тищенко отвечает в этом проекте за диагностику инжектора, который и будет источником свободных электронов.

На стыке наук

Важно, что разработкой источников излучения дело не ограничивается: в этом направлении науки и технологий есть еще две важнейшие области.

Первой из них является диагностика пучков заряженных частиц по характеристикам создаваемого ими излучения. Без диагностики пучка не функционирует ни один современный радиационно-излучательный комплекс или коллайдер, и повышение требований к пучку заставляет искать новые, продвинутые методы диагностики.

А второй важнейшей областью являются современные фундаментальные и прикладные исследования на стыке физики излучения и современной интегральной нанофотоники, включая физику метаматериалов, наноплазмонику, и другие бурно развивающиеся области современной науки. Такие исследования ведутся во всем мире, и в России, в МИФИ, есть отличная научная школа в этом направлении, ведущая свои корни от академика И.М. Тамма, через академика Е.Л. Фейнберга, созданная в 60-70-х годах 20-го века профессором Михаилом Ивановичем Рязановым на 32-й кафедре МИФИ «Теоретическая ядерная физика». Эти исследования развивают сегодня в лаборатории «Излучение заряженных частиц», создание которой М.И. Рязанов еще успел застать, и научным вдохновителем которых он во многом и являлся.

Компетенция НИЯУ МИФИ

Группа Алексея Тищенко разрабатывает новые виды мишеней, изучая для этого саму физику процесса получения излучения. Например, одна из перспективных идей тут такая: эффективность получения ТГц волн можно резко увеличить, если задействовать процессы резонанса внутри вещества мишени, и еще задействовать важнейшее явление – когерентность. Эффекты когерентности совсем не так давно по историческим меркам, какие-то 15-20 лет назад, уже привели к революции в этой области. Действительно, самые яркие источники излучения, созданные человечеством – лазеры-на-свободных-электронах – это принципиально физика когерентных явлений, и потенциал этих явлений еще далеко не раскрыт!

Такие исследования будут ускорены, если НИЯУ МИФИ обзаведется новым собственным радиационно-ускорительным комплексом, который позволит проводить научные исследования по генерации ТГц излучения, но не только – и рентгеновского, и ускорительных проблем, и прикладных, в области рентгеновской спектроскопии и дефектоскопии, и многих других. У нас, в МИФИ, существуют планы по созданию такой установки, и практические работы уже начаты, в том числе при поддержке программы «Приоритет 2030». Разработки ведутся в тесном взаимодействии разных коллективов под руководством С.М. Полозова, включая кафедру электрофизических установок, лабораторию «Излучение заряженных частиц», научные коллективы с других кафедр НИЯУ МИФИ. Эта работа запланирована на несколько ближайших лет, и, после ее успешного завершения, НИЯУ МИФИ получит новые возможности для проведения перспективных исследований на переднем крае этой интереснейшей и важнейшей области – ускорительно-излучательной физики и технологий.

На фото: Эскизный проект синхротронного комплекса «Сила» в Протвино