Фемтосекундный осциллограф

В физике электронных пучков уже давно возникла необходимость измерять временные интервалы длительностью в несколько фемтосекунд. Если для оптических исследований такие измерения не представляют принципиального труда, то для мониторинга электронных пучков они пока — увы — недостижимы. Как сообщает сайт WWW.INAUKA.RU, в ближайшее время ожидается продвижение в этой области: российские исследователи предлагают схему измерения, названную ими "фемтосекундным осциллографом".

Работа экспериментатора-ускорительщика состоит не столько в том, чтобы разогнать, скажем, электроны до невообразимых скоростей, сколько в том, чтобы получить электронный пучок с необходимыми свойствами: стабильный, компактный, холодный и т.д. Все это сделать можно, но только необходимо при этом вести постоянный мониторинг пучка. К сожалению, современные методы наблюдения за пучком имеют не столь высокое временное разрешение — порядка долей пикосекунды (это одна тысячемиллиардная доля секунды). На первый взгляд, это может показаться достаточно хорошим разрешением: ведь за такое время электрон успевает сместиться в продольном направлении всего на сотню микрон, а в поперечном направлении и того меньше. Однако иногда требуются гораздо более аккуратные измерения. В частности, в связи с успешной разработкой источников фемтосекундных импульсов синхротронного излучения стало просто необходимым контролировать поведение электронного пучка на временах порядка фемтосекунды.

Есть несколько методик контроля продольных/временных параметров пучка, в частности, продольных размеров отдельных сгустков электронов в пучке и распределение электронной плотности в них. Однако большинство из них опирается на одну и ту же схему: в поле резонатора электронный пучок слегка отклоняется и излучает при этом тормозным образом фотоны. Если продольный размер пучка (а точнее, банча — локального сгустка электронов) меньше, чем длина волны излученного фотона, то изучение идет когеретным образом, т.е. усиленно (все электроны сгустка излучают в фазе). Если же пучок размазан в продольном направлении на длине больше длины волны фотона, тогда такого усиления нет. Этот метод исследуется и применяется уже давно, но никакие ухищрения не позволили пока получить временное разрешение лучше, чем сотни фемтосекунд.

Авторы работы предлагают модифицировать эту схему и вместо поля резонатора использовать поле мощного лазерного излучения. Когда электроны пролетают сквозь область высокой концентрации лазерного луча, они получают поперечный толчок из-за воздействия электрического поля и слегка отклоняются. Если область взаимодействия электрона с лазерным лучом — в системе отсчета электрона! — меньше длины волны лазера (т.е. если для 50-Мэвного электрона область взаимодействия с лазерным лучом будет короче 1 сантиметра), то электрону будет казаться, что он взаимодействует со статическим полем. При достаточно мощном лазере, электрическое поле, чувствуемое электроном, будет велико, и в результате электрон отклонится на вполне заметный угол (по крайней мере, заметно превышающий собственный угловой разброс пучка). Таким образом, мы получаем следующую картину: пучок проходит сквозь сфокусированный лазерный луч, и часть электронов, провзаимодействовав в лазерным светом, вылетает из пучка. Можно зарегистрировать эти электроны, поставив перпендикулярно электронному пучку некий высокочувствительный экран-детектор.

Заметьте принципиально важный момент: направление вылета каждого конкретного электрона совпадает с направлением электрического поля, которое этот электрон и выбило.

Хорошо, но где же здесь чувствительность к фемтосекундным масштабам времени? Она возникает за счет следующего, очень красивого механизма.

Представьте такую ситуацию: пусть у нас есть короткий банч (сгусток электронов), который пронзает луч CO2 мазера с длиной волны 10 микрон. Период колебания электрического поля в этом луче, следовательно, 33 фемтосекунды. Пусть луч будет циркулярно поляризованный, то есть направление вектора электрического поля в нем будет "крутиться" с периодом в 33 фемтосекунды. Что же при это получается? У нас есть банч, который проходит сквозь лазерный луч, и вращающийся вектор электрического поля будет как бы "разбрызгивать" выбитые электроны по кругу.

Если длина электронного банча совпадет с длиной волны лазера, то весь банч пройдет сквозь лазерный луч ровно за один период. При этом выбитые электроны оставят на экране красивое ровное кольцо. Если же длина банча будет меньше длины волны лазера, то на экране появится не полное кольцо, а дуга. Измеряя длину этой дуги, можно узнать, в сколько раз длина банча была меньше длины волны лазерного света.

Оценки авторов показывают, что не составляет труда измерять банчи длительностью в десятки фемтосекунд с точностью в единицы фемтосекунд. То есть, без особых технологических затрат можно улучшить точность мониторинга электронного пучка по крайней мере на порядок!

Безусловно, у каждого метода есть тонкие места — в данном случае это, прежде всего, регистрация одиночных электронов и восстановление дуги. Но достоинст гораздо больше. Вот их перечисление.

Улучшение точности на порядок без особых затрат.

Превращение задачи об измерении (коротких промежутков) времени в задачу измерения (макроскопических) расстояний.

Опора на период колебания ЭМ поля в лазере -- стабильный эталон времени.

Поскольку для единичного электрона вероятность провзаимодействовать с фотоном очень мала, это воздействие будет неразрушающим: весь пучок (или банч) потеряет при этом лишь ничтожный процент частиц.

Методику можно существенно улучшить, например, уменьшив длину волны лазера. Принципиальных препятствий для этого не видно.