Новосибирские ученые создают фотопушку для изучения лекарств и вирусов

В Институте ядерной физики имени Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН ведётся разработка фотопушки, предназначенной для создания ультракоротких электронных пучков. В сравнении со стандартным продольным размером электронного пучка в синхротроне СКИФ, который составляет примерно сантиметр, использование фотопушки позволяет уменьшить этот размер до долей миллиметра.

На основе СВЧ-фотопушек планируется создать лабораторный стенд для изучения структуры и свойств объектов на атомарном уровне в режиме реального времени, что актуально для биомедицины и фармацевтики. Преимущество установок на основе фотопушек в том, что они помещаются в стандартную комнату. На данный момент физики ИЯФ СО РАН достигли промежуточных результатов — собрали в России фотопушку с системой синхронизации лазерного и СВЧ-излучения и готовятся к новому этапу измерений.

В экспериментах на коллайдерах с помощью пучков электронов физики получают новые знания о фундаментальных свойствах мира. На синхротронах электронный пучок генерирует электромагнитное излучение (синхротронное излучение, СИ), с помощью которого химики, биологи, физики и другие исследователи получают новые лекарства, вакцины и исследуют материалы. В зависимости от задач пучок электронов должен обладать определенными параметрами, но в любом случае сначала его нужно получить.

«Чтобы начать работать с электронным пучком, нужно его получить, и здесь не важно, куда он должен полететь дальше — в коллайдер, синхротрон или промышленный ускоритель. Зарождаются пучки частиц в электронной пушке, —прокомментировала младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН и ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» Кристина Сибирякова. — В зависимости от того, какая конечная цель у ускорительного комплекса, пучок будет обладать разными характеристиками. В каком-то случае важен эмиттанс пучка, в каком-то его размер, в каком-то делается акцент на ток или длительность пучка».

Для получения электронов в ускорительном комплексе может использоваться термоэмиссионная пушка и термокатод. Под воздействием температуры и приложенного электрического поля с поверхности катода начинает происходить эмиссия, или вытягивание, электронов, которые в дальнейшем преобразуются в электронный пучок.

«Так мы получаем пучок электронов на синхротроне СКИФ, — пояснила Кристина Сибирякова. — Однако если мы хотим получить короткие пико- или фемтосекундные пучки (когда речь идет о продольном размере пучков частиц, которые двигаются со скоростью близкой к скорости света, то он определяется в единицах измерения времени), да еще и с большим пиковым током, то термопушка уже не эффективна. В таком случае нужно использовать фотопушки и фотокатоды. Короткий электронный пучок с большим зарядом необходим, например, для реализации исследовательского метода сверхбыстрой электронной дифрактометрии, которая позволяет в режиме реального времени изучать внутреннюю структуру материалов и веществ на атомном и молекулярном уровне. Также фотопушки могут использоваться в качестве источника электронов для того же лазера на свободных электронах, когда необходимы короткие пучки с большим током».

В случае с фотопушкой работает фотоэффект, то есть выход электронов с освещаемой лазером поверхности катода. Чем более короткий лазерный импульс используется, тем более короткий пучок электронов получают на выходе. Современные лазеры способны создавать сверхкороткие световые импульсы.

«Длительность пучка — это, скажем так, заводская настройка, — добавила Кристина Сибирякова. — Если у тебя есть пикосекундный или фемтосекундный лазер, значит ты можешь получать ультракороткие пучки, а вот заряд, размер пучка, угловая расходимость частиц в нем и другие характеристики связаны с поперечными свойствами лазерного пятна и его интенсивности. Кроме этого параметры пучка сильно зависят от материала фотокатода и его поверхности. Часто для удаления различных оксидных пленок и получения большого заряда необходимо производить чистку поверхности фотокатода перед получением рабочего пучка. Для этих целей необходим один режим лазерной системы, для получения самого электронного пучка — другой, а для минимизации углового распределения частиц в пучке — третий. Для реализации разных режимов должна быть создана специальная система управления лазером. В процессе работы совместно с коллегами из Института автоматики и электрометрии СО РАН была разработана и создана такая система».

На данный момент в ИЯФ СО РАН разработана первая итерация фотопушки с системой синхронизации. На установке прошли «холодные» измерения (без СВЧ-мощности), на которых были получены нужные распределения полей и частоты. Впереди сборка и запуск стенда для проверки вакуумной прочности, подача СВЧ мощности в фотопушку и изучение темновых токов.

«СВЧ-фотопушка — это весьма продвинутый источник электронного пучка высокого качества, то есть с ультракороткой длительностью и малым эмиттансом, — прокомментировал заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН, дирктор ЦКП СКИФ академик Евгений Левичев. — Такие приборы востребованы в системах инжекции лазеров на свободных электронов или источников синхротронного излучения. Они применяются в электронных микроскопах и для исследования атомной структуры методами сверхбыстрой электронной дифракции. Кроме того, сам факт того, что коллектив способен создавать такие сложные СВЧ-устройства говорит о росте его компетенций, квалификации и мастерства».