3 км ради одной рентгеновской вспышки? Учёные сжали лазер FEL до метров — и он уже работает

Учёные из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США, при участии инженеров компании TAU Systems, представили новую методику генерации и стабильного сопровождения пучков, обладающих параметрами, необходимыми для запуска рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL). Эта разработка может радикально изменить подход к созданию подобных установок, делая их не только компактнее, но и доступнее.

В основе лежит технология лазерно-плазменного ускорения , где вместо радиочастотных колебаний применяются мощные импульсы света. Они фокусируются в ионизированном газе, создавая внутри плазмы плотностную волну, способную придавать частицам колоссальную кинетическую энергию. Такое ускорение достигает 100 гигаэлектронвольт на метр — почти в тысячу раз выше, чем в классических системах, ограниченных десятками мегавольт. Это открывает путь к миниатюризации: установки, занимавшие километры, потенциально могут уместиться в лабораторных масштабах.

Но одного высокого градиента недостаточно — для полноценной работы FEL требуется особая структура пучка. Он должен быть однородным по энергетике, плотным и строго направленным. Малейшее отклонение в угле или скорости приводит к потере когерентности и снижению эффективности излучения. Специалистам из Беркли удалось добиться именно такой конфигурации: их система стабильно воспроизводит пучки с необходимыми характеристиками. Причём надёжность подтверждена в рамках десятков серий испытаний, проводившихся в различных условиях.

Крупнейшим ограничением традиционных XFEL-установок остаётся их масштаб. Например, одна из таких систем в США растянута более чем на три километра — значительная часть длины уходит на обеспечение плавного и стабильного ускорения. Строительство подобных объектов возможно лишь в крупнейших научных центрах, обладающих соответствующей инфраструктурой. Новый подход направлен на устранение этой зависимости: если плазменная технология сможет стабильно обеспечивать нужный результат, лазеры на свободных электронах станут гораздо более универсальными и доступными.

Все испытания проводились на экспериментальной платформе BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator). Здесь лазерный импульс возбуждает в плазменной мишени продольную волну, в которую впрыскиваются электроны. Эти частицы захватываются полем и ускоряются с высокой эффективностью. Но ключевым критерием был не только разгон, но и точность параметров на выходе. Даже незначительная асимметрия или расфазировка способна нарушить дальнейший процесс генерации рентгеновского сигнала.

Чтобы преобразовать направленное движение в излучение, ускоренные электроны направляются в ондулятор — систему с чередующимися магнитными полями. Там они начинают двигаться по волнообразной траектории, испуская когерентный рентгеновский свет. Однако для запуска механизма требуется высокая согласованность пучка. Любое нарушение приводит к срыву усиления. Команда TAU Systems добилась ювелирной стыковки между выходом ускорителя и началом магнитной секции, что позволило достичь экспоненциального роста интенсивности — ключевого признака полноценного FEL-режима.

Эти результаты открывают возможности создания компактных рентгеновских источников, которые можно будет размещать прямо на месте проведения исследований. Это особенно ценно в таких сферах, как биохимия, материаловедение и нанотехнологии, где важна высокая пространственная точность и возможность визуализации структуры вещества в реальном времени. Также технология подходит для прикладных задач — например, в фотолитографии при производстве микросхем или в инженерной дефектоскопии, где требуется неразрушающий контроль компонентов.

Один из очевидных путей развития — интеграция плазменных ускорителей в уже существующие исследовательские комплексы. В этом случае они смогут использоваться как внешние источники пучков, расширяя функциональные возможности действующих XFEL-установок. Это позволит модернизировать инфраструктуру без необходимости полного демонтажа и строительства с нуля.

Разработчики подчёркивают, что достигнутая демонстрация — только начало. Освоение FEL на базе LPA закладывает основу для дальнейших применений: от создания модульных коллайдеров до компактных источников ионизирующего излучения. Сокращение длины ускорителя на несколько порядков — не просто инженерный фокус, а повод пересмотреть всю архитектуру будущих ускорительных систем .