Исследователи из Сколковского института науки и технологий (Сколтех), НИЯУ МИФИ и ВНИИА имени Духова предложили новый метод создания компактных источников гамма-излучения, одновременно более ярких, чётких 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. Работа в формате Letter опубликована в журнале Physical Review A.

Гамма-лучи, получаемые с помощью лазеров и электронных пучков, — это перспективная технология, но до сих пор у них был серьёзный 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).

Как показано на изображении 2 (Рис. 1 в статье), когерентная стыковка десяти умеренно сильных гауссовских импульсов даёт почти плоскую вершину электрического поля (чёрная 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.

«Идея концептуально простая: вместо одного «колоколообразного» всплеска света мы строим плоское световое «плато» из многих маленьких вспышек, — объясняет доцент Центра искусственного интеллекта Сколтеха Сергей Рыкованов. — Тогда электроны во время излучения видят почти постоянную интенсивность, и это предотвращает привычное нелинейное уширение гамма-линии».

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.

«С помощью ступенчатых импульсов мы фактически программируем спектр, — говорит первый автор работы Антонина Тимошенко, аспирант программы «Вычислительные системы и анализ данных в науке и технике» в Сколтехе. — Выбирая высоту и длительность каждой ступеньки, мы можем задавать, какие гамма-цвета появятся и насколько интенсивными они будут».

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.

«Стыковка импульсов соединяет передовые лазерные технологии с требованиями к источникам на нелинейном Комптоне, — добавляет Рыкованов. — Наши результаты показывают, что при реалистичном контроле времени, фазы и амплитуды мы можем двигаться к компактным гамма-источникам с рекордной спектральной яркостью».