На Рис. 1.16 показаны малые поворотные магниты и верхние половины квадрупольных линз, установленные в ускорительном зале. На Рис. 1.23 показаны алюминиевые вакуумные камеры-коллиматоры прямолинейных участков.

После полной сборки вакуумной системы в ней был получен сверхвысокий вакуум, после чего были открыты вакуумные клапаны, отделяющие новую часть вакуумной системы от старой.

Рис. 1.26. Схема расположения подвесок в ускорительном зале (вид сверху).

Положения всех элементов магнитной системы должны соответствовать расчетным с точностью 0,2 мм. Поэтому для точного измерения этих положений используется автоматический теодолит-дальномер (laser tracker), показанный на Рис. 1.27. Этот прибор измеряет координаты центра уголкового отражателя, прижатого к поверхности элемента магнитной системы.

После измерения координат элемента проводится коррекция положения при помощи регулировочных винтов.

После сборки, получения вакуума в новых вакуумных камерах и геодезической выставки элементов магнитной системы начался запуск УР. Сначала были установлены расчетные токи в поворотных магнитах и квадрупольных линзах. После этого была включена электронная пушка на минимальной частоте следования электронных сгустков (22 кГц) и с помощью емкостных датчиков положения измерены поперечные координаты электронного пучка вдоль дорожек. Подстройкой амплитуд и фаз ускоряющих резонаторов и токов в корректирующих катушках было получено практически полное прохождение электронов в поглотитель. При этом магниты байпаса были включены, и после прохождения второй дорожки электроны попадали в резонаторы в замедляющей фазе. Таким образом, на общей дорожке (в резонаторах) одновременно находились четыре электронных пучка – два ускоряемых и два замедляемых (см. Рис. 1.28).

Рис. 1.28. Сигнал с одного из емкостных датчиков положения. Первый импульс наведен пучком, который ускоряется первый раз, второй – пучком, который ускоряется второй раз, третий - пучком, который замедляется первый раз, четвертый - пучком, который замедляется второй раз.

После точной настройки режима был получен средний ток электронного пучка мА при рабочей частоте повторения сгустков c/(2L) = 7.5 МГц. Таким образом, достигнуты проектные параметры электронного пучка, необходимые для работы ЛСЭ.

ГЛАВА 2. ЛСЭ ВТОРОЙ ДОРОЖКИ

Рис. 2.1. Схема байпаса, на котором установлен новый ЛСЭ.

При длине ондулятора Lu = 4 м, получим минимальную апертуру вакуумной камеры ондулятора 2 Lu. Для максимальной длины волны 100 микрон это составит 40 мм. С учетом несколько увеличенной относительно оптимальной длины Рэлея, а также для снижения требований к точности геодезической выставки элементов вакуумной камеры, была выбрана апертура 60 мм, а зазор g между полюсами ондулятора – 70 мм.

электромагнитный ондулятор. Последний состоит из железного магнитопровода с пазами, в которых уложены токонесущие проводники (см. Рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема электромагнитного ондулятора.

Амплитуда поля в таком ондуляторе может быть оценена по формуле где I ток, текущий в пазу между полюсами ондулятора. Для тока 9 кА эта формула дает 0.1 Т. Количественной характеристикой перестраиваемости длины волны ондуляторного излучения служит параметр ондуляторности K = eB0 d 2mc 2. Для вышеприведенного поля K 1. Учитывая, что длина волны ондуляторного излучения равна = 1 +, видим, что возможна перестройка длины волны на десятки процентов за счет изменения поля в ондуляторе. Точные расчеты поля были проведены с использованием программы MERMAID, разработанной в ИЯФ СО РАН.

Серьезной проблемой является сильная вертикальная фокусировка в ондуляторе.

Фокусировка может быть количественно охарактеризована величиной согласованной бета функции Для энергии Е = 20 МэВ и параметра ондуляторности K = усложнив конструкцию ондулятора можно обеспечить увеличение получить горизонтальную фокусировку. Численные расчеты поля в модифицированном ондуляторе позволили найти оптимальную форму полюсов (см. Рис. 2.3).

Рис. 2.3. Оптимизированная форма полюсов ондулятора.

Эта форма обеспечивает одинаковую фокусировку по вертикали и по горизонтали, а также минимальную нелинейность фокусировки.

Вид ондулятора с торца показан на Рис. 2.4.

Обмотки, возбуждающие основное поле, представляют собой изогнутые медные трубы квадратного сечения 18 18 мм2 с осевым отверстием для охлаждающей воды (Рис.

2.5).

Для того, чтобы в ондулятор можно было легко вставлять вакуумную камеру (тонкостенную трубу из нержавеющей стали), он разбирается на верхнюю и нижнюю половины. Общий вид нижней половины онлятора представлен на Рис. 2.6.

Рис. 2.6. Нижняя половина ондулятора.

Для зануления первого и второго интегралов вертикального поля на концах ондулятора зазор в первых двух и последних двух парах полюсов может изменяться при помощи вертикального смещения полюсов. Кроме того, первые и последние полюса охвачены одним витком тока, а не двумя, как все остальные полюса. На каждом краю ондулятора установлено по два корректора, создающих вертикальное магнитное поле.

Для магнитных измерений (испытаний) ондулятора было использовано устройство, включающее линейку из пяти датчиков Холла, направляющие, прецизионный винт с шаговым двигателем и электронику, управляющую шаговым двигателем, током в обмотках ондулятора и измерением напряжений на датчиках Холла. Последние были откалиброваны в специальном электромагните с однородным полем по датчику ядерного магнитного резонанса.

продольной координаты показана на Рис. 2.7.

Field, Gs Рис. 2.7. Зависимость поля на оси ондулятора от продольной координаты.

Анализ результатов измерений показал, что высшие гармоники поля малы.

Наибольшую величину имеет третья гармоника, составляющая около 1% от первой. Как видно из рисунка, поле является нечетной (относительно середины ондулятора) функцией.

Для электромагнитных ондуляторов с железным магнитопроводом это предотвращает появление постоянной составляющей поля из-за ненулевого магнитного потока на конце ондулятора.

горизонтали амплитуда первой гармоники нарастает при удалении от оси ондулятора, как это показано на Рис. 2.8.

вторые интегралы поля (см. Рис. 2.9). Вторые интегралы характеризуют наименьшее отклонение траекторий частиц от оси ондулятора.

Field Integral, Gs x cm Рис. 2.9. Вторые интегралы поля. Кривая, использующая измерения осевого датчика Холла, слабо отклоняется от нуля. Две другие кривые используют показания Заметим, что для энергии электронов 20 МэВ отклонению от оси ондулятора 1 мм соответствует второму интегралу поля 7000 Гс·см2, а минимальный диаметр пучка излучения внутри ондулятора – около 5 мм. Следовательно, поле на оси ондулятора обеспечивает необходимую прямизну траекторий частиц.

Измеренная зависимость амплитуды первой гармоники поля от тока в обмотках показана на Рис. 2.10.

Рис. 2.10. Зависимость поля на оси ондулятора от продольной координаты. Красная Отклонение этой зависимости от прямой при больших токах связано с частичным насыщением железа магнитопровода. Расчет дает несколько меньшие величины поля.

Возможно, это связано с тем, что в расчете использована главная кривая намагничения железа, а при измерениях (и при работе на установке) использовался однополярный цикл намагничения (от нуля до максимального тока).

После проведения магнитных измерений ондулятор был установлен на место в ускорительном зале (см. Рис. 2.11).

Рис. 2.11. Ондулятор, подвешенный в ускорительном зале. Перед ним видны зеленые квадрупольные линзы, служащие для согласования параметров пучка, выходящего из ондулятора, с фокусирующей системой ускорителя-рекуператора.

Источником постоянного тока для питания ондулятора служит управляемый тиристорный выпрямитель с максимальным током 2.2 кА и мощностью около 100 кВт.

Источник обеспечивает стабилизацию тока с точностью 0.01%. Он оснащен цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразователями, соединенными с управляющей ЭВМ интерфейсом CANBUS.

Точная геодезическая выставка положения ондулятора производилась при помощи автоматического теодолита-дальномера (laser tracker), показанного на Рис. 2.12.

Рис. 2.12. Измерение положений элементов магнитной системы ускорителярекуператора при помощи автоматического теодолита-дальномера.

По заданной длине ондулятора (4 м) можно сразу найти "оптимальную" длину Рэлея для оптического резонатора – 2 м. Такая длина Рэлея обеспечивает минимальные поперечные размеры основной моды оптического резонатора на концах вакуумной камеры ондулятора.

Полная длина оптического резонатора (т.е., расстояние между его зеркалами) L определяется из условия синхронизации продольных мод где с – скорость света, f0 – частота следования электронных сгустков, n – целое число.

Для существующей электронной пушки ускорителя-рекуператора f0 = 22.5 МГц, поэтому Для снижения интенсивности излучения на поверхности зеркал оптического резонатора следует выбрать максимальную длину резонатора. Поэтому была выбрана максимальная доступная длина 20 м.

При больших отношениях L к длине Рэлея ужесточаются допуски на угловую юстировку зеркал. Для симметричного оптического резонатора с зеркалами радиуса R разъюстировка одного из зеркал на угол приводит к смещению оптической оси на противоположном зеркале на С другой стороны, длина Рэлея определяется по формуле следовательно, x волны среднеквадратичный размер на зеркале равен требование на точность установки угла При z0 = 2 м и = 40 микрон имеем < 1·10-5, что находится в пределах возможностей коммерческих держателей зеркал.

Представляется целесообразным несколько увеличить длину Рэлея по сравнению с "оптимальной". Например, выбрав R = 10.9 м, получим z0 = 3 м. При = 100 микрон среднеквадратичные размеры моды на краях ондулятора и на зеркалах равны, соответственно, 6 мм и 17 мм. Чтобы дифракционные потери были малы, диаметр отражающей поверхности зеркала должен превышать среднеквадратичный размер не менее, чем в шесть раз. Учитывая возможность работы на длинах волн более 100 микрон, а также добавочные 10 мм для крепления зеркала, можно выбрать диаметр зеркала равным 160 мм. Заданное значение радиуса кривизны зеркала должно быть выдержано с точностью ± 0.1 м.

Схема оптимизированного оптического резонатора показана на Рис. 2.13. Она близка к схеме уже существующего резонатора ЛСЭ на 1-3 ТГц [8 - 12].

Серьезной проблемой является изменение радиуса кривизны зеркал вследствие их нагрева излучением. Для расчета этого эффекта была создана специальная программа. С ее помощью проведена оптимизация толщины зеркала и формы охлаждающих деталей.

ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ И ОСНАЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

СТАНЦИЙ

1. Станция физико-химических и биологических исследований 2. Метрологическая станция 3. Станция молекулярной спектроскопии 4. Химическая станция 5. Станция «Спектроскопия и интроскопия»

6. Станция «Аэродинамические исследования»

Рис. 3.1. Экспериментальные станции на пучках терагерцового излучения Рис. 3.2. Канал вывода терагерцового излучения в нижнюю галерею и На этих станциях проводят исследования сотрудники 12 институтов СО РАН:

ИЯФ, ИХКГ, ИЦГ, ИФП, ИГ, ИТПМ, КТИ ВТ, ИОА, ЛИН, ИНХ, ИК, МТЦ, а также студенты и аспиранты НГУ и НГТУ.

На базе лазера на свободных электронах создан Научно-образовательный инновационный комплекс «Терагерцовое излучение и его применение», в состав которого вошли НГУ и девять институтов СО РАН. Для студентов ведется ежегодный экспериментальный факультатив. Более двадцати пяти студентов выполнили курсовые и дипломные работы и магистерские диссертации.

За это время приобретены, установлены и работают следующие научные приборы:

1. Оптико-акустический детектор (д.ф.-м.н. Ю.Н. Пономарев, ИОА, г.Томск) 2. Хромато-масс-спектрометр (Хьюлетт Паккард) 3. Фурье-спектрометр (Брукер) на диапазон 1мкм-1мм 4. MALDI-спектрометр (Брукер) 5. Флуоресцентный микроскоп (К. Цейсс) 6. Квадрупольный масс-спектрометр 7. Широкодиапазонный аэрозольный спектрометр (Гримм, Германия) 8. Сканирующий зондовый микроскоп (г. Зеленоград) Новосибирский лазер на свободных электронах (NovoFEL) по-прежнему остается самым мощным в мире источником терагерцового излучения. Максимальная величина средней мощности излучения, достигнутая при частоте повторения импульсов 11,2 МГц, составляет 400 Вт. В течение отчетного периода лазер работал на пользователей при стандартной частоте повторения 5,6 Мгц (длительность импульсов – 100 пс, скважность – 180 нс). Средняя мощность на рабочих станциях зависела от длины волны излучения и настройки ускорительной системы и составляла в стандартных режимах 50 – 150 Вт.

Лазер излучает монохроматическое, полностью линейно поляризованное излучение, перестраиваемое в интервале 120 – 240 мкм.

В последнее десятилетие наблюдается резкий рост числа фундаментальных и прикладных работ в области генерации и применения излучения в интервале длин волн от 30 мкм до 0,3 мм, что соответствует частотному диапазону 10 – 1 ТГц.

Интерес к терагерцовому излучению обусловлен следующими его свойствами:

• это неионизирующее излучение (энергия фотонов 0,04 – 0,004 эВ);

• это излучение хорошо проходит через мутные среды и мелкодисперсные материалы из-за резкого подавления рэлеевского рассеяния (1/ 4);

• это область вращательных спектров молекул, колебаний биологически важных коллективных мод ДНК и белков;

• это область водородных связей и вандер-ваальсовских сил межмолекулярного взаимодействия;

• энергия фотонов терагерцового излучения лежит в области энергетической щели сверхпроводников.

Работы на станциях пользователей можно разбить на два направления. Во-первых, вследствие отсутствия стандартного оборудования для регистрации и визуализации терагерцового излучения велась разработка средств измерения и диагностики, а также средств управления излучением. Во-вторых, велись фундаментальные и прикладные исследования с использованием терагерцового излучения для решения задач биологии, химии, механики, оптики, физики полупроводников.

3.1. Cтанция физико-химических и биологических исследований (ИХКГ, Назначение: Исследование абляции нуклеиновых кислот, белков и ферментов, полимеров и минеральных кластеров. Исследование структуры биочипов.

Участвующие организации:

• Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск;

• Институт химической кинетики и горения СО РАН, г. Новосибирск;

• Институт ядерной физики СО РАН, г. Новосибирск.

Работа проводилась в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» научно-исследовательские работы по лоту «№ 5» «Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научнотехнического задела в области живых систем по критической технологии «Технологии биоинженерии» (мероприятие 1.2 Программы)» шифр «2007-2-1.2-09-01-083» по теме:

««Диагностика ДНК-биочипов при помощи терагерцового излучения», государственный контракт № 02.512.11.2068.

Основными целями выполняемых работ являются:

• изучение абляции биологических и минеральных материалов и исследования влияния излучения лазера на свободных электронах (ЛСЭ) на биологические объекты;

• изучение с помощью абляции идентичности биочипов разного производства, созданных по сходным технологиям;

• получение спектров поглощения биологических макромолекул в субмиллиметровом диапазоне.

За отчетный период проведены исследования абляции нуклеиновых кислот и белков. Показано, что абляция может быть неразрушающей, установлена зависимость между длиной волны излучения и сохранностью молекулы фермента пероксидазы хрена при абляции. Получены свидетельства конформационных изменений структуры ДНК под действием электромагнитного излучения в диапазоне 120-235 мкм. Изучена зависимость абляции биологических макромолекул от их размера и спектра поглощения. Созданы модельные биочипы и проведены подготовительные эксперименты для исследования структуры биочипов.

Изучена абляция пероксидазы хрена при разных длинах волн излучения ЛСЭ.

Установлено, что абляция происходит при всех изученных длинах волн, однако, активность сохраняется только при использовании излучения с длиной волны 127 – мкм. В более длинноволновой области активность фермента не сохраняется. С помощью диффузионного спектрометра аэрозолей (ДСА) установлено, что при излучении с длиной волны 154 мкм происходит денатурация и деструкция макромолекулы с образованием мелких аэрозольных частиц размером от 3 до 6 нм, в то время как при абляции под воздействием излучения с длиной волны 128 мкм молекула остается целой.

Аэрозольные частицы с течением времени имеют тенденцию агрегировать, т.е.

размер частиц увеличивается. Эта теория нашла свое подтверждение в случае всех исследованных минеральных аэрозолей, однако, в случае биологических макромолекул наблюдается совершенно другая картина: как молекулы ДНК, так и белки, все с течением времени уменьшаются в размерах. В данной ситуации имеется не просто аэрозоль из молекул, а аэрозоль из молекул, облученных мощным терагерцовым излучением, поскольку за время нахождения молекулы в камере она успевает получить несколько квантов энергии. Пока в литературе не описано конформационных изменений структуры ДНК или белков под действием электромагнитного излучения в диапазоне 120-235 мкм.

Однако, можно ожидать серьезных эффектов исходя из того, что энергия водородных связей сопоставимы с энергией кванта излучения ЛСЭ.

В качестве живого объекта для изучения воздействия ЛСЭ была выбрана линия E.coli, несущая генетическую конструкцию – высокочувствительный метаболический биосенсор для тестирования экологической чистоты воды, воздуха и пищевых продуктов в отсутствии знаний о природе токсического вещества. Под действием излучения ЛСЭ с длиной волны 134 мкм в течение 10 мин и средней мощностью 50 Вт/см2 получена активация стрессочувствительного биосенсора.

электромагнитного спектра для распознавания химических веществ. За отчетный период нами были получены Фурье-спектры пероксидазы хрена, протеина А, хондроэтина, перфторана, а так же синтетических олигонуклеотидов.

биомакромолекул без их деструкции позволили сформулировать предложение о создании на ее основе сканера для анализа биочипов без применения дорогостоящих флуоресцентных меток. Первым шагом для реализации этой методики стали эксперименты по абляции фрагментов ДНК известного размера с твердых поверхностей.

Для этого электрофоретическими методами были препаративно выделены отдельные фрагменты ДНК фага лямбда, гидролизованного рестриктазой HindIII. Была проведена мягкая лазерная абляция фрагментов ДНК размером 3 000 нуклеотидных пар (нп), нп и 23 000 нп. Диффузионные размеры частиц, получаемых при воздействии излучения ЛСЭ, достаточно хорошо соответствуют линейным размерам полимерных цепей ДНК, взятых в эксперимент.

Назначение: станция для диагностики, контроля и оптимизации параметров излучения из лазеров на свободных электронах и проведения физических экспериментов с этим излучением.

Оснащение станции:

• спектральный комплекс на основе модернизированного монохроматора МДР-23 для измерения длины волны излучения, формы линии излучения, on-line настройки выбранной гармоники излучения, реальной фильтрации выбранного участка спектра или гармоники, проведения различных оптических измерений в диапазоне от оптического до субмиллиметрового;

• вакуумный фурье-спектрометр фирмы Bruker для метрологических измерений длины волны излучения, детального измерения спектра излучения и его автокорреляционной функции (когерентности), настройки излучения в окна прозрачности атмосферы, диагностики системы осушки азота в оптическом канале, спектрального исследования материалов, фильтров и других физических объектов;

• измерительный комплекс на основе сверхбыстрых терагерцовых детекторов собственной разработки с различными диодами Шоттки и осциллографами фирмы Tektronix для измерений основных феноменологических параметров ЛСЭ (коэффициент усиления, интенсивность насыщения, потери в оптическом резонаторе) и структуры световых импульсов с временным разрешением 10-20 пикосекунд;

• система визуализации терагерцового излучения на основе термолюминесцентного экрана фирмы Macken Instruments размером 152152 мм и оптической видеокамеры для детального измерения распределения интенсивности достаточно мощного излучения;

• система визуализации терагерцового излучения на основе сканирующей линейки из 30 пироэлектрических детекторов с шаговым приводом для измерения усредненного распределения слабого излучения;

• набор различных детекторов, позволяющий проводить оперативный контроль излучения, разнообразные измерения в разных спектральных диапазонах, в том числе с очень высокой чувствительностью и временным разрешением;

• два специально разработанных калориметра терагерцового излучения: эталонный сапфировый калориметр и модернизированный гигагерцовый калориметр МК 3-71;

• набор различных фильтров и поляризаторов для фильтрации гармоник (в том числе пространственных) и регулировки мощности терагерцового излучения;

Обнаружен и исследован акустооптический эффект, возникающий в результате сильного поглощения терагерцового излучения парами воды. Сильный звук возникает при модуляции мощности терагерцового излучения; более слабый звук, по-видимому, является результатом автоколебаний. В настоящее время эффект используется для простейшей диагностики (без приборов) дрейфа частоты излучения ЛСЭ из окон прозрачности атмосферы и технических неполадок в системах ЛСЭ, приводящих к модуляции его мощности.

Измерены потери в оптическом резонаторе терагерцового ЛСЭ в расширенном спектральном диапазоне. Показано, что измеренные потери хорошо соответствуют простой аналитической теории, на основе которой и был спроектирован оптический резонатор.

На основе комплексных спектрально-временных измерений, включающих уникальные измерения структуры импульсов ЛСЭ, обнаружены три режима работы ЛСЭ:

одномодовый режим с узкой линией генерации и высокой временной когерентностью, многомодовый режим с набором узких линий и высокой временной когерентностью и квазиодномодовый режим с очень широкой линией генерации и низкой временной когерентностью. Показано, что причиной двух последних “неклассических” режимов является модуляционная неустойчивость. Показано, что эта неустойчивость может быть подавлена отстройкой частоты повторения электронных сгустков от резонансной частоты.

Продемонстрирован плавный переход между вышеупомянутыми режимами при плавной отстройке частоты повторения электронных сгустков.

Методом Фурье-спектроскопии измерено поглощение терагерцового излучения остатками паров воды в оптическом канале, заполненном циркулирующим через специальную осушительную систему азотом. Показано что эффективность осушки со свежим обезгаженным цеолитом составляет 500 раз (точка росы около -40С) и в процессе 2 месяцев эксплуатации снижается до 300 раз. Хотя эти параметры являются достаточно хорошими для подобных систем, но этого еще не достаточно, чтобы поглощением парами воды можно было пренебречь во всем рабочем диапазоне ЛСЭ. Желательно понизить точку росы до -60С. В настоящее время ведутся работы в этом направлении.

термофлюоресцентного экрана с рабочим полем 152 x 152 мм. Наблюдаемая периодическая модуляция интенсивности в направлении перпендикулярном вектору электрического поля (полосы равного наклона), есть результат интерференции очень слабого “гало” излучения с основным пучком. Произведена эффективная фильтрация этой модуляции с помощью диафрагмы между двумя параболическими зеркалами.

Тремя взаимно дополнительными методами проведено комплексное измерение оптических параметров CVD-алмаза в терагерцовом диапазоне, включая уникальный по точности измерений калориметрический метод измерения поглощения с использованием мощного терагерцового излучения ЛСЭ. Исследуемый материал незаменим для мощного терагерцового излучения и при его использовании в более сложной системе вывода излучения позволит увеличить мощность ЛСЭ более чем в два раза.

Обнаружен и исследован эффект очень яркого порогового оптического свечения кальцийсодержащих веществ (бумага, мел, мрамор и др.) в сфокусированных пучках терагерцового излучения. Экспериментально доказано, что наблюдается тепловой так термоустойчивым продуктом вышеперечисленных веществ, а пороговый эффект и необычно сильная яркость излучения является следствием перехода окиси кальция из состояния идеально “белого” тела в идеально “черное ” при температуре около 2000 °К.

Аналогичный эффект проявляется также на других термоустойчивых белых окислах металлов и связан с уменьшением запрещенной зоны в этих кристаллах при сильном колебательном возбуждении их кристаллической решетки.

В рамках междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № «Исследование взаимодействия фононной подсистемы Pb1-xSnxTe в условиях сегнетоэлектрической неустойчивости с терагерцовым излучением и разработка приемников для его визуализации» проведено исследование вышеуказанного перспективного для производства больших матриц материала на возникновение терагерцового ЛСЭ были зарегистрированы сигналы фотопроводимости. В настоящий момент ведется обработка результатов измерений и составляются планы дальнейших исследований.

3.3. Станция молекулярной спектроскопии (ИХКГ, ИОА) Назначение: станция предназначена для исследования спектров поглощения газов в терагецовом диапазоне, а также исследования пламен.

конденсированных сред и биологических объектов. В исследованиях использовались:

оптико-акустическая ячейка для измерения слабого поглощения в газах со схемой синхронного детектирования (минимальное измеряемое поглощение 10-5 см-1; фурьеспектрометр фирмы Bruker для спектров молекулярных газов в терагерцовой области.

Совместно с ИОА изучалось прохождение терагерцевого излучения в атмосфере, содержащей водяные капельки диаметром 5 мкм. Измерены общие коэффициенты ослабления (вследствие рассеяния и поглощения водяными каплями) для ряда длин волн попадающих в микроокна прозрачности атмосферы. Получена спектральная зависимость коэффициента ослабления излучения в диапазоне 119 – 160 мкм.

Исследовалось прохождение терагерцевого излучения через водород-воздушное пламя на длинах волн 119.3 мкм и 163.4 мкм, соответствующих вращательным линиям поглощения OH радикала. Результат – коэффициент поглощения не превышает 10-3 на длине 1 см. Это же пламя исследовалось методом лазерно-индуцированной флуоресценции. Получены спектры OH радикала, измерены профили температуры и концентрации радикалов.

Назначение: станция предназначена для масс-спектрометрического изучения процессов распада металло-органики при поглощении молекулами под действием излучения ЛСЭ в молекулярном пучке и на поверхности.

Оснащение станции:

• время-пролётный масс-спектрометр МСХ-6;

• система формирования молекулярного пучка на основе ячейки Кнудсена;

• быстрый АЦП с памятью 32 Мб типа NI 5112.

На химической станции продолжались исследования превращений, происходящих в сложных многоатомных молекулах при термической активации и под воздействием мощного электромагнитного излучения, генерируемого лазером на свободных электронах с использованием времяпролетной масс-спектрометрии. В качестве новых объектов исследования предложены кетоиминатные комплексы меди, которые также являются летучими, но по данным термического анализа, менее термически устойчивыми.

Уменьшение термической устойчивости связано с уменьшением средней энергии связи металл-лиганд, что в свою очередь может привести к более легкой активации связи под воздействием ИК-излучения.

С использованием высокотемпературной масс-спектрометрии изучены механизмы термического распада. Установлено, что разложение комплекса происходит по двум направлениям с образованием как молекулярных, так и радикальных органических продуктов, состав которых позволяет предполагать образование металлической меди в качестве единственного твердого продукта.

На основании анализа значительного числа экспериментов, показано, что при облучении молекулярных пучков ряда исследованных летучих комплексов металлов с органическими лигандами с терагерцовым излучением (длина волны 150 мкм, максимальная мощность 100 Вт) изменения в масс-спектрах наблюдаемые в виде вариаций соотношений интенсивностей пиков и появления пиков новых частиц, связаны, в основном, с неконтролируемым перегревом части источника, а также с процессами взаимодействия излучения с десорбируемыми с поверхности вакуммного объема соединениями.

Для увеличения области и времени взаимодействия молекулярного пучка с излучением разработана документация на модернизацию оптической системы ввода излучения лазера в рабочий объем станции. Основные элементы – сферическое короткофокусное зеркало (медь), кремниевая мембрана, установленная под углом Брюстера и многоходовая цилиндрическая кювета, изготовленная из меди.

Предполагается также перейти к использованию импульсного молекулярного источника паров, что позволит существенно уменьшить влияние вторичных процессов. В настоящее время начато изготовление отдельных элементов данной системы.

3.5. Станция «Спектроскопия и интроскопия» (ИЯФ, НГУ) Назначение: станция предназначена для исследования неорганических, органических и биологических материалов и объектов методами спектроскопии и спектрально-селективной интроскопии, а также разработке средств и методов визуализации в терагерцовом диапазоне.

Спроектированы, изготовлены и испытаны отражающие и преломляющие дифракционные оптические элементы (ДОЭ) для мощного терагерцового излучения. На их основе созданы квазиоптические системы для терагерцовой радиоскопии конденсированных сред, в том числе теневые и голографические системы. Проведены эксперименты по дифракционной габоровской томографии. Разработаны и прокалиброваны системы визуализации терагерцового излучения на основе термочувствительного люминесцентного экрана и термочувствительного интерферометра.

Адаптирован для регистрации терагерцового излучения преобразователь на основе матрицы микроболометров с числом элементов 160х120. Впервые в терагерцовом диапазоне получены изображения объектов в реальном времени в режимах радиоскопии и освещения объектов направленным и диффузным лазерным излучением.

Достигнута рекордная скорость записи терагерцовых изображений, равная 90 кадрам в секунду. Исследована спекл-картина, возникающая при диффузном освещении объектов когерентным излучением. Создан спектрометр нарушенного полного внутреннего отражения для терагерцового диапазона. Проведены исследования спектров аминокислот и ДНК.

3.6. Станция «Аэродинамические исследования» (ИТПМ, ИЯФ) Завершен монтаж газодинамической системы. Изготовлена оптическая система для ввода излучения на станцию, подготовлены оптические системы для регистрации взаимодействия терагерцового излучения со сверхзвуковыми газовыми потоками и исследования влияния энерговвода в поток на процессы обтекания тел. Запущена скоростная камера Princeton Instruments с микроканальным усилителем яркости для съемок в видимом диапазоне с временным разрешением до 2 нс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проектные параметры второй очереди УР получены в 2008 г. На 2009 год запланированы запуск ЛСЭ и изготовление элементов канала вывода излучения.

Излучение нового ЛСЭ будет вводиться в существующий канал и разводиться по существующим экспериментальным станциям. Тогда полный доступный на каждой станции диапазон длин волн будет лежать в пределах 40 – 250 микрон.

По спектральной плотности и средней мощности излучение Новосибирского ЛСЭ на порядки превосходит излучение других перестраиваемых источников. Это открывает уникальные возможности для пользователей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Маршалл Т.С. Лазеры на свободных электронах. - М.: Мир, 1987.

3. Агафонов А.В., Лебедев А.Н. Лазеры на свободных электронах. - М.: Знание, 1987.

4. Генераторы когерентного излучения на свободных электронах / Сб. статей под ред.

А.А. Рухадзе. - М.: Мир, 1983.

5. Gavrilov N.G. et al., IEEE J. Quantum Electron., QE-27, p. 2626, 1991.

6. Neil G. R. et al., Phys. Rev. Lett. 84 (2000), p. 662.

7. Minehara E.J., Nucl. Instr. and Meth. A, V. 483, p. 8, 2002.

8. Antokhin E.A., Akberdin R.R., Arbuzov V.S., et al. First experimental results obtained using the high-power free electron laser at the Siberian center for photochemical research // Problems of atomic science and technology. – 2004. No 1. – P. 3-5.

9. Antokhin E.A., Akberdin R.R., Arbuzov V.S., et al. First lasing at the high-power free electron laser at Siberian center for photochemical research // Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. – 2004. – Vol. A528, No 1/2. – P. 15. –18.

10. Bolotin V.P., Cherkassky V.S., Igumenov I.K., et al. Status of the Novosibirsk free electron laser and first experiments with high power terahertz radiation. – Novosibirsk, 2004. – 21 p. (Preprint/ SBRAS, Budker inst. of nucl. Phys.; Budker INP 2004-57).

11. Bolotin V.P., Kayran D.A., Knyazev B.A., et al. Status of the Novosibirsk high power free electron laser // Conference digest of the 2004 Joint 29-th international conference on infrared and millimeter waves and 12-th international conference on terahertz electronics, Sept. 27 – Oct. 1, 2004, Karlsruhe, Germany / M.Thumm, W.Wiesbeck, eds.

– Karlsruhe, 2004. – P. 55-56.

12. Cherkassky V.S., Knyazev B.A., Kubarev V.V., et al. Imaging techniques for highpower THz free electron laser // Conference digest of the 2004 Joint 29-th international conference on infrared and millimeter waves and 12-th international conference on terahertz electronics, Sept. 27 – Oct. 1, 2004, Karlsruhe, Germany / M.Thumm, W.Wiesbeck, eds. – Karlsruhe, 2004. – P. 567-568.

13. Kubarev V.V., Persov B.Z., Vinokurov N.A., Davidov A.V. Optical resonator of powerful free-electron laser // Nuclear instruments and methods in physics research. Sec.

A. – 2004. – Vol. A528, No 1/2. – P. 199-202.

ПРИЛОЖЕНИЕ: СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ПРОГРАММЫ

2. Винокуров Н.А., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н. и др. Визуализация излучения мощного терагерцового лазера на свободных электронах с помощью термочувствительного интерферометра. – Новосибирск, 2006. (Препринт/ Ин-т ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН; ИЯФ 2006-26).

3. Винокуров Н.А., Котенков В.В., Куркин Г.Я. и др. Вакуумная система ЛСЭ. – Новосибирск, 2006. (Препринт/ Ин-т ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН;

ИЯФ 2006-27).

4. Винокуров Н.А., Князев Б.А., Кубарев В.В. и др. Визуализация изображений и голография в терагерцовом диапазоне // Первое рабочее совещание «Генерация и применение терагерцового излучения»: Сборник трудов, 24 – 25 ноября 2005 г., Новосибирск/ ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, ИХКиГ СО РАН; Отв. ред.

Б.А.Князев. – Новосибирск, 2006. – С. 63-67.

5. Винокуров Н.А., Заиграева Н.С., Кайран Д.А. и др. Диагностические и демонстрационные эксперименты с излучением ЛСЭ // Первое рабочее совещание «Генерация и применение терагерцового излучения»: Сборник трудов, 24 – ноября 2005 г., Новосибирск/ ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, ИХКиГ СО РАН;

Отв. ред. Б.А.Князев. – Новосибирск, 2006. – С. 58-62.

6. Винокуров Н.А. Состояние дел и перспективы лазера на свободных электронах Сибирского центра фотохимических исследований // Первое рабочее совещание «Генерация и применение терагерцового излучения»: Сборник трудов, 24 – ноября 2005 г., Новосибирск/ ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, ИХКиГ СО РАН;

Отв. ред. Б.А.Князев. – Новосибирск, 2006. – С. 5-10.

7. Герасимов В.В., Князев Б.А., Рудыч П.Д., Черкасский В.С. Френелевское отражение в оптических элементах и детекторах для терагерцового диапазона. – Новосибирск, 2006. (Препринт/ Ин-т ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН;

ИЯФ 2006-23).

8. Игуменов И.К., Семянников П.П., Крисюк В.В. и др. Рабочая станция для лазера на свободных электронах для исследования процессов селективной многофотонной диссоциации сложных молекул в паровой фазе и на поверхности // Первое рабочее совещание «Генерация и применение терагерцового излучения»: Сборник трудов, 24 – 25 ноября 2005 г., Новосибирск/ ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, ИХКиГ СО РАН; Отв. ред. Б.А.Князев. – Новосибирск, 2006. – С. 56-57.

9. Князев Б.А. Источники терагерцового излучения на электронных пучках и эксперименты с их применением (обзор) // Первое рабочее совещание «Генерация и применение терагерцового излучения»: Сборник трудов, 24 – 25 ноября 2005 г., Новосибирск/ ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, ИХКиГ СО РАН; Отв. ред.

Б.А.Князев. – Новосибирск, 2006. – С. 26-31.

10. P. V. Koshliakov, S. R. Gorelik, E. N. Chesnokov, et al. Infrared multiphoton dissociation of vinyltrifluorosilane. Appl. Phys. B 84 (2006) 529-536.

11. П.В. Кошляков, Е.Н. Чесноков, С.Р. Горелик, А.К. Петров. Многофотонная диссоциация метилтрифторсилана Хим. Физ. 25 (2006) 12-22.

12. Князев Б.А., Черкасский В.С. Отражающие дифракционные оптические элементы и их применение для управления излучением терагерцового лазера на свободных электронах // Вестник НГУ. – 2006. – Т. 1, вып. 2. – С. 3-20.

13. Кубарев В.В. Детекторы терагерцового излучения: (обзор) // Первое рабочее совещание «Генерация и применение терагерцового излучения»: Сборник трудов, 24 – 25 ноября 2005 г., Новосибирск/ ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, ИХКиГ СО РАН; Отв. ред. Б.А.Князев. – Новосибирск, 2006. – С. 35-40.

14. Bolotin V.P., Vinokurov N.A., Kayran D.A., et al. A project of accelerator-recuperator for Novosibirsk high-power FEL // Письма в ЭЧАЯ. – 2006. – Т. 3, № 7 (136). – С. 70Bolotin V.P., Vinokurov N.A., Gavrilov N.G., et al. Status of the Novosibirsk energy recovery linac // Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. 2006. – Vol. A557, No 1. – P. 23-27.

16. Bolotin V.P., Cherkassky V.S., Igumenov I.K., et al. Status of the Novosibirsk free electron laser and first experiments with high power terahertz radiation // Proceedings of International conference on submillimeter science & technology, 13-15 October, 2004.

Ahmedabad, India / Eds H. Dav et. al. – New Delhi e.a.: Allied publ. private ltd, 2006. – P. 119-126.

17. Bolotin V.P., Vinokurov N.A., Kayran D.A., et al. Status of the Novosibirsk terahertz FEL // Вопросы атомной науки и техники = Problems of atomic science and technology. – 2006. № 2. – С. 5-7.

18. Dementyev E.N., Kozak V.R., Kuper E.A., et al. Architecture and main hardware components of the FEL control system // Proceedings of the XXth Russian conference on charged particle accelerators (RuPAC 2006), Sept. 10-14, 2006, Novosibirsk, Russia/ Ed. by M.V.Kuzin. – Novosibirsk, 2006. – P. 209-211.

19. Kolobanov E.I., Matveenko A.N., Salikova T.V., et al. The study of the energy recovery efficiency at Novosibirsk FEL ERL // Proceedings of the XXth Russian conference on charged particle accelerators (RuPAC 2006), Sept. 10-14, 2006, Novosibirsk, Russia/ Ed. by M.V.Kuzin. – Novosibirsk, 2006. – P. 322-323.

20. Kuper E.A., Oreshkov A.D., Repkov A.V., et al. Radiation dosimetry diagnostic system of FEL // Proceedings of the XXth Russian conference on charged particle accelerators (RuPAC 2006), Sept. 10-14, 2006, Novosibirsk, Russia/ Ed. by M.V.Kuzin.

– Novosibirsk, 2006. – P. 231-232.

21. Vinokurov N.A., Kurkin G.Ya., Medvedev L.E., et al. Vacuum system of FEL // Proceedings of the XXth Russian conference on charged particle accelerators (RuPAC 2006), Sept. 10-14, 2006, Novosibirsk, Russia/ Ed. by M.V.Kuzin. – Novosibirsk, 2006.

– P. 287-288.

22. Винокуров Н.А., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н. и др. Визуализация излучения термочувствительного интерферометра // Журнал технической физики. – 2007. – Т.

77. № 7. – С. 91-100.

23. A.K. Petrov, A.S. Kozlov, S.B. Malyshkin, et al. Nondestructive transfer of complex molecular systems of various origin into aerosol phase by means of submillimeter irradiation of free electron laser (FEL) of Siberian center for photochemical research // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A575, p.68–71 (2007).

24. Кошляков П.В., Горелик С.Р., Чесноков Е.Н., и др. Изотопно-селективная многофотонная диссоциация молекул хлорметилтрифторсилана (CH2ClSiF3) под действием излучения импульсного СО2-лазера. // Доклады Академии Наук., 2007, т.415, с. 1-4.

25. Винокуров Н.А., Жигач С.А., Князев Б.А. и др. Дифракционные оптические элементы и квазиоптические схемы для экспериментов на мощном терагерцовом лазере на свободных электронах // Известия вызов. Радиофизика. – 2007. – Т. 50, № 10/11. Спец. вып. – С. 885-896.

26. Cherkassky V.S., Gerasimov V.V., Ivanov G.M., et al. Techniques for introscopy of condense matter in terahertz spectral region // Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. – 2007. – Vol. 575, No 1/2. – P. 63-67.

27. Fomin V.M., Knyazev B.A., Kubarev V.V., et al. Research opportunities at terahertz Novosibirsk free electron laser // International conference on the methods of aerophysical research, ICMAR 2007: Proceedings, 5-10 Feb., 2007, Novosibirsk, Russia. – Novosibrisk: Publ. house “Parallel”, 2007. – Pt 2. – P. 71-77.

28. Gavrilov N.G., Knyazev B.A., Kolobanov E.I., et al. Status of the Novosibirsk highpower terahertz FEL // Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. – 2007. – Vol. 575, No 1/2. – P. 54-57.

29. Knyazev B.A., Kulipanov G.N., Vinokurov N.A. Optical components, detectors and cameras for optical systems of user stations at a high-power terahertz FEL // Journal of the Korean physical society. – 2007. – Vol. 51, No 1. – P. 409-415.

30. Kulipanov G., Skrinsky A., Vinokurov N. MARS – multi-turn accelerator-recuperator source of high brightness X-ray // Proceedings of the 43rd ISTC JPn workshop on accelerator science – basic to applications – in Russia/CIS, Oct. 29 – 30, 2007. Tsukuba, Japan. – Tsukuba, 2007. – P. 1-8.

31. Kulipanov G., Skrinsky A., Vinokurov N. Multi-pass accelerator-recuperator (MARS ) as coherent X-ray synchrotron radiation source // Synchrotron radiation instrumentation:

Ninth intern. conf. on synchrotron radiation instrumentation, SRI 2006, Daegu, Korea, May – 2 June 2006/ Eds J.-Y. Choi, S. Rah. – Melville: AIP, 2007. – P. 234-239.

(Proceedings/ Amer. Inst. of physics; Vol. 879).

32. Kulipanov G.N., Ancharov A.I., Antokhin E.I., et al. Status and highlights of Siberian synchrotron and terahertz radiation center // Brilliant light in life and material science:

NATO advanced research workshop, July 17-21, 2006, Yerevan, Armenia/ V. Tsakanov, H. Wiedemann, eds. – Dordrecht : Springer, 2007. – P. 57-68.

33. Naumova E.V. Prinz V.Ya., Seleznev V.A., et al. Fabrication of metamaterials on the basis of precise micro- and nanoshells // Metamaterials 2007: Proc. of the conf., first Intern congress on advanced electromagnetic materials in microwaves and optics, Rome, Italy, 22-24 October, 2007. – Roma: Univ. “Roma Tre”, 2007. – P.74-77.

34. Naumova E.V., Prinz V.Ya., Seleznev V.A., et al. Polarization transformation by arrays on the basis of precise metal-semiconductor microhelices // Nanostructures: Physics and Technology: Proceedings, 15th Intern. sympos, Novosibirsk, Russia, June 25-29, 2007. – St-Petersburg: Ioffe inst., 2007. – P. 164-165.

35. Vinokurov N.A., Gavrilov N.G., Knyazev B.A., et al. Status of the Novosibirsk power terahertz FEL // 28th International free electron laser conference, FEL 06: Proceedings, Berlin, Aug. 27 – Sept. o1 2006. – Berlin: BESSY, 2007. – P. 492-495.

36. Мигинский С.В. Когерентность колебаний пучка в поле собственного заряда и параметры электронных пушек // Вестник НГУ. Серия: Физика. – 2007.- Т. 2, вып.

4. – С. 132-144.

37. Miginsky S.V. Minimization of space charge effect // Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. – 2007. – Vol. 575, No 1/2. – P. 234-237.

38. Miginsky S.V. Space charge effect, coherence of charge vibration and emittance. – Novosibirsk, 2007. – 55 p. (Preprint/ G.I. Budker inst. of nucl. physics; Budker INPАнчаров А.И., Аульченко В.М., Барышев В.Б. и др. Особенности и тенденции развития центра коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» // Сборник научных трудов 5-й международной специализированной выставки «ЛабораторияЭкспо’07». – М.: Эксподизайн, 2007. – С. 73-82.

40. Герасимов В.В., Князев Б.А., Рудыч П.Д., Черкасский В.С. Френелевское отражение в оптических элементах и детекторах для терагерцового диапазона // Приборы и техника эксперимента. – 2007. № 4. – С. 103-108.

41. Князев Б.А., Кузьмин А.В. Поверхностные электромагнитные волны: от видимого диапазона до микроволн // Вестник НГУ. Серия физика. – 2007. - Т. 2, вып.. 1. С. 108-122.

42. Cherkassky V.S., Knyazev B.A., Kulipanov G.N. et al.

characteristics with a high-power terahertz free electron laser // International journal of infrared and millimeter waves. – 2007. - Vol. 28, No. 3. - 219-222.

43. Knyazev B.A. Imaging at high-power terahertz free electron laser: methods and applications: (Invited) // International symposium: Topical problems of biophotonics:

Proceedings, 4-11 Aug., 2007, Nizhny Novgorod – Moscow, Russia. – Nizhni Novgorod, 2007. – P. 309-311.

44. Dem’yanenko M.A., Esaev D.G., Knyazev B.A., et al. Imaging with a 90 frames/s microbolometer focal plane array and high-power terahertz free electron laser // Applied physics letters. – 2008. – Vol.92., No 13. - P. 131116-1 – 131116-3.

45. Kulipanov G.N., Gavrilov N.G., Knyazev B.A., et al. Research highlights from Novosibirsk 400 W average power THz FEL // Terahertz science and technology: The international electronic journal of THz. – 2008. – Vol. 1, No 3. – P. 107-125.

46. Koshlyakov P.V., Vorob’ev A.V., Gorelik S.R., et al. Silicon isotope-selective multiphoton dissociation of 1,2-dichloroethyltrifluorosilane// Mendeleev Commun., 18, p.18–20 (2008).

47. С.В. Мигинский. Эффект собственного заряда, когерентность зарядовых колебаний и эмиттанс. Журнал Технической Физики 78 (2008), вып. 9, 96-106.

48. С.В. Мигинский. Оптимизатор акцептанса сильноточных электронно-оптических каналов. Вестник НГУ 3 (2008), вып. 2., 80-87.

49. С.В. Мигинский. Колебания эмиттанса в локально холодном пучке. Вестник НГУ 3 (2008), вып. 3 (в печати).

50. Kubarev V.V., et al. Optical properties of CVD-diamond in terahertz and infrared ranges. To be published in NIM A.

51. Kubarev V.V., et al. Modulation instability, three mode regimes and harmonic generation at the Novosibirsk terahertz free electron laser. To be published in NIM A.

52. Shevchenko O.A., et al. Electron outcoupling scheme for the Novosibirsk FEL. To be published in NIM A.

53. Shevchenko O.A., et al. Compact ring FEL as a source of high power infrared radiation.

To be published in NIM A.

54. Shevchenko O.A., et al. Numerical solution of the FEL correlation function equation. To be published in NIM A.

55. S.V. Miginsky. Emittance Compensation of Elliptical Beams. To be published in NIM A.

56. S.V. Miginsky. Scope of the Locally Cold Beam Model. To be published in NIM A.

57. Nikitin A.K., et al. Geodesic elements to control terahertz surface plasmons. To be published in NIM A.

58. Knyazev B.A., et al. Real-time speckle metrology. To be published in NIM A.