Преподаватели НИЯУ МИФИ Александр Федотов и Максим Малахов совместно с учеными Сколковского института науки и технологий (Сколтех) и ВНИИА имени Духова предложили новый метод создания компактных источников гамма-излучения, одновременно более ярких, четких и способных излучать несколько «цветов» одновременно. Это открывает возможности для более точной медицинской диагностики, улучшенного контроля материалов и даже создания изотопов для медицины прямо в лаборатории.
Гамма-лучи, получаемые с помощью лазеров и электронных пучков, — это перспективная технология, но до сих пор у них был серьезный недостаток: спектр излучения получался слишком «размытым». Это снижало яркость и точность, что ограничивало их применение там, где важна чёткость, — например, в сканировании плотных материалов или в медицинской визуализации.
В новой работе авторы не подавляют нелинейное комптоновское рассеяние, как делалось раньше, а, напротив, целенаправленно используют его, открывая путь к более совершенным инструментам для ядерной фотоники, материаловедения и медицины. Команда показала, что «стыковка» множества коротких лазерных импульсов в точно сформированный цуг (поезд) импульсов позволяет подавить спектральное уширение, которое до сих пор ограничивало источники на нелинейном Комптоне, и даже генерировать многоцветные гамма-пучки в одном взаимодействии.
Когда высокоэнергетический электронный пучок лоб в лоб сталкивается с интенсивным лазерным импульсом, электроны рассеивают свет и переизлучают рентгеновские или гамма-лучи — этот процесс известен как обратное комптоновское рассеяние. Такие лазерно-электронные источники могут быть компактными, настраиваемыми по энергии и гораздо более спектрально «чистыми», чем традиционные источники на основе тормозного излучения, что делает их привлекательными для:
- ядерной фотоники и неразрушающего контроля плотных объектов,
- продвинутой медицинской визуализации и производства изотопов,
- исследований наноструктур и материалов,
- диагностики высокоплотной материи.
При очень высоких интенсивностях лазера (так называемый режим нелинейного Комптона) электроны испытывают сильное световое давление и излучают на высших гармониках лазерной частоты. Это должно позволить получать яркие, узкополосные гамма-линии, но на практике изменение интенсивности вдоль реального импульса приводит к пондеромоторному уширению спектра — линии «размазываются», а яркость падает.
Опубликованная работа решает проблему спектрального уширения за счёт инженерии временного профиля лазерного поля. Вместо одного гладкого гауссовского импульса авторы предлагают когерентно «стыковать» множество одинаковых коротких импульсов с заданными задержками, формируя суммарную огибающую, гораздо более близкую к идеальному импульсу с плоской вершиной (прямоугольной огибающей).
Сравнение разных форм лазерного импульса и их воздействия на излучение. Слева показано, как выглядит во времени электрическое поле при стыковке (суммировании) 10 коротких гауссовых импульсов по сравнению с одним коротким импульсом и одиночным гауссовым импульсом той же амплитуды и полной энергии, что стыкованный импульс. Справа — соответствующие нормированные спектры обратного комптоновского рассеяния: видно, как выбор структуры импульса меняет распределение энергии излучения
Как показано на изображении, когерентная стыковка десяти умеренно сильных гауссовских импульсов даёт почти плоскую вершину электрического поля (черная кривая). Такой состыкованный импульс даёт примерно в три раза больше фотонов в диапазоне ±1% от спектрального пика, чем одиночный длинный гауссовский импульс — это прямой показатель роста спектральной яркости.
Помимо сужения спектра, стыковка импульсов позволяет получать многоцветное излучение. В другой конфигурации исследователи делят поезд импульсов на три группы с разными амплитудами, формируя «ступенчатую» (лестничную) огибающую — по сути, три плоских уровня интенсивности во времени.
Когда электронный пучок взаимодействует с таким ступенчатым импульсом, результирующий гамма-спектр естественным образом распадается на три хорошо разделённых пика, каждый из которых соответствует своему уровню интенсивности. Другими словами, одно лазерно-электронное взаимодействие может генерировать сразу несколько чётко определённых гамма-«цветов». Принципиально важно, что эти несколько цветов являются прямым отпечатком нелинейного комптоновского режима: каждая ступенька интенсивности оставляет свою собственную спектральную линию — явление, которое просто не возникает в линейном (однофотонном) пределе рассеяния.
Работа напрямую связана с проектированием интенсивного комптоновского источника Национального центра физики и математики (НЦФМ) в России, где планируется создать источник гамма-излучения нового поколения с узкой спектральной линией. Численные расчёты выполнялись на суперкомпьютере «Жорес» Сколтеха при поддержке национального гранта в области исследований ИИ.
Источник информации – портал наука.рф
