Nr. 3/2005


Ülemaailmne füüsika aasta
Eredam kui tuhat päikest

Koolipäevil sattus kätte Robert Jungki raamat “Heledam kui tuhat päikest”, mis kirjeldab aatomifüüsikute tööd. See kaasakiskuvalt kirjutatud teos tekitas minus esimese argliku huvi füüsika kui teaduse vastu ja andis tõuke selleks, et otsustasin oma edaspidise hariduse omandamisel ja elus pühenduda füüsikale. Nüüd, olles töötanud enam kui 25 aastat füüsikuna nii Eestis kui ka Soomes ja Rootsis, pole ma oma otsust veel kordagi kahetsenud. Et suure osa sellest ajast olen olnud seotud Lundi ülikooli MAX-labis tehtud uuringutega, siis sellest allpool ka juttu tuleb.

Tänu minu esimesele juhendajale, nüüdseks kahjuks meie hulgast lahkunud professor Mart Elangole, on minu teaduslik tegevus olnud seotud röntgenspektroskoopiaga ja seeläbi vältimatult ka osakeste kiirendite – sünkrotronidega. Nimelt on just sünkrotron ainus röntgenspektroskoopia uuringuteks sobiv pikemalainelise röntgenikiirguse allikas.

Novosibirski kaudu Lundi

Esimesed eksperimendid selle kiirgusallikaga tegin koos oma Tartu kolleegidega 1970. aastate lõpus Novosibirskis, kus asus ainus tolleaegse N Liidu sünkrotron-kogur VEPP-2M. (VEPP on lühend venekeelsetest sõnadest, mis tõlgituna tähendaks põrkuvaid elektron-positronkimpe. Tänapäeval loetakse teda sünkrotronide esimesse põlvkonda kuuluvaks.) Kuigi sealne seade oli konstrueeritud tuumafüüsika tarbeks, oli seal tuumafüüsikute puhkepausidel võimalik uurida mitmesuguste tahkiste omadusi koguni röntgenikiirguses. See tegevus oli tuumafüüsikute silmis küll lausa ootamatu – meile kui röntgenspektroskopistidele vajalik kiirgus oli neile ju lausa pinnuks silmas, sest see vähendas elektronide ja positronide energiat. Kui aga saadi lõplikult aru, milliste ainulaadsete omadustega on sünkrotronkiirgus, hakati maailma mitmeis paigus ehitama otseselt ultraviolett- ja röntgenikiirguse allikaiks kohaldatud sünkrotrone-kogureid. Kui nendes kallutada elektronkimpu sirgelt trajektoorilt ringjoonelisele, saadakse erineva lainepikkusega valgusosakesi – footoneid, teiste hulgas ka röntgenikiiri. Nii valmisid teise põlvkonna kiirgusringid.

Hiljem, kolmanda põlvkonna taoliste kogurite aegu, lükiti elektronide ringtrajektoorile suhteliselt pikki sirgeid lõike, kus elektronkimp liigub edasi otse. Nendele lõikudele paigutati püsimagnetid, mille abil elektronkimpu vonklema “loksutatakse”. Võngutamise tõttu kiirgavad elektronid footoneid juba ühtse kooskõlastatud kogumina. Niimoodi suurendati nende kiirgustihedust.

Praegu konstrueeritakse ka neljanda põlvkonna sünkrotrone, kus kiiratavate footonite arv mingisse ruumiossa, nn ruuminurka, on veel tuhandeid kordi suurem kui kolmanda sugupõlve sünkrotronides. Niisuguste täiustuste tõttu on iga kolme aasta tagant toimuval suurel sünkrontronidele pühendatud rahvusvahelisel konverentsil nenditud, et võrreldes eelmise taolise kokkusaamisega on jällegi sünkrotronide kiirguse eredus suurenenud enam kui tuhat korda.

Tänapäevastes sünkrotronkiirguse allikates ei rakendata siiski otseselt kiirendusringil tiirlevate elektronide kiirgust, vaid nad suunatakse kiirendist järk-järgult abiseadmesse – kogurisse. See on ringkanal, milles elektronid küll tiirlevad, kuid nende kiirus ja energia enam ei muutu. Sinna vaid kogutakse neid teatava piirini järjest rohkem. Sellest seadme nimetuski – kogur. Mida enam elektrone seal footoneid välja saadab, seda intensiivsem on nende kiirgus.

Kui tulla tagasi meie teadusliku tegevuse juurde, siis pärast N Liidu lagunemist oli mõneaastane paus, kus meie füüsikutel sünkrotronkiirgusele juurdepääs puudus. 1980. aastate lõpus aga avanes suurepärane võimalus kasutada teise põlvkonna sünkrotroni Rootsis, Lundi ülikoolis. Selle kiirendi teaduskomitee eesotsas oli tol ajal Horisondi veergudelgi tutvustamist leidnud väliseesti füüsik, Rootsi Kuningliku Teaduste Akadeemia akadeemik Indrek Martinson (vt intervjuud temaga Horisondis 2/2003), tänu kellele juurdepääs Lundi kiirgurile ka suhteliselt hõlpsaks kujunes. Siinkohal rõhutan, et professor Martinsoni tegevust Eesti füüsikute mitmekülgsel toetamisel on võimatu üle hinnata.

Et paremini mõista teadust, mida tänapäeval sünkrotronide abiga tehakse, tuleks alustada päris algusest, selgitada sünkrotronide tööpõhimõtteid. Kuigi pealkiri sellele artiklile sai valitud eespoolmainitud R. Jungki raamatu eeskujul, iseloomustab too võrdlus kujukalt ka sünkrotronkiirguse üht peamist omadust, suurt eredust, sest isegi nähtavat valgust kiirgab teise põlvkonna sünkrotron kindlas suunas tuhandeid kordi rohkem kui Päike.


Väga vajalikud footonid

Et uurida ainete mitmesuguseid omadusi, peame neid mingil moel mõjutama ja jälgima. Kui soovime saada infot aatomite ja molekulide kohta, tuleb nende elektronkatteid ergastada elektromagnetkiirgusega. Mida suurem on ergastava kiirguse footoni ehk kvandi energia, seda sügavama, aatomituuma lähedasema elektronkatteni jõutakse, ning seda rohkem teavet ainest ammutatakse. Geoloogias võiks seda võrrelda sügavpuurimisega maakoore parema tundmaõppimise eesmärgil.

Kui molekule mõjutada pikalainelise infrapunavalguse energiavaeste footonitega, suudame ergastada üksnes aineosakeste võnke- ja pöörlemisolekuid. Ergastades aga nähtava valgusega, saame juba mõjutada aineosakeste väliselektronkesta. Et aga puudutada aatomite sisekatte elektrone, vajame veelgi lühilainelisemat, kas ultraviolett- või röntgenikiirgust, mida annavadki sünkrotronis tiirlevad elektronid. Üldiselt on ainete ergastuste nn relaksatsiooniprotsessid (lagunemised) keerulised ning mitmed efektid väga väikese väljundiga, eriti kui tegu on näiteks gaasilise ainega. Seetõttu peab ergastav kiirgus olema võimalikult monokromaatne, st sisaldama ühe kindla lainepikkusega footoneid, ning seejuures ere. Teiste sõnadega – kiirgus peab olema lisaks heledusele (footonite arv sekundis) ka koondatud ühte punkti. Eredust (ingl brilliance) defineeritaksegi kui monokromatiseeritud footonite arvu sekundis ruuminurka ja pinnaühikule. Infrapuna- ja nähtava valguse piirkonnas on praegusajal sellisteks eredateks valgusallikateks laserid, ultraviolett- ja röntgenipiirkonnas aga elektronide ringkiirendid ehk sünkrotronid-kogurid. Füüsika ja keemia kõrval kasutatakse sünkrotrone üha rohkem ka bioloogias, materjaliteaduses, ravimitööstuses, elektroonikas jm. Kuigi tegu on ülimalt kallite seadmetega – kogu kompleksi hind võib ületada sadu miljoneid dollareid – ehitatakse neid aina juurde.

Äsja teatas näiteks Austraalia oma sünkrotronikompleksi rajamisest Melbourne’i. Tänapäeval töötab maailmas üle viiekümne sünkrotroni, neist 18 Euroopas (vt kartogrammi). Meile lähim asub Lundis. Selle kiirendiga ongi Eesti füüsikud kõige rohkem sinasõbrad. Praegugi on füüsika instituudi teadlased seal sagedased külalisuurijad. Sünkrotronidest on meie teadlastele tuttavad veel DESY Hamburgis ning BESSY Berliinis (mõlemad Saksamaa), Elettra Triestes (Itaalia), ESRF Grenoble’is (Prantsusmaa) ja mujalgi, isegi Ameerikas.


Sünkrotronkiirguse teke ja omadused

Nagu teada, kiirgab iga kiirendusega liikuv vaba laeng elektromagnetlaineid. Kiirgab ka peaaegu valguse kiirusega liikuv relativistlik elektron, kui teda kallutada magnetväljas. Sest tekitab ju ka kiiruse suuna muutus – kallutamine – kiirenduse. Relativistlike efektide tõttu on sellise elektroni kiirgus suunatud otse, piki tema liikumistrajektoori puutujat. Niisugune elektron kiirgab väga laias spektripiirkonnas, alates infrapunasest kuni kalgi röntgenikiirguseni välja. Kiirguse lühilaineline piir on määratud elektroni energiaga: mida suurem on elektroni energia, seda lühemate lainepikkuste poole on see piir nihutatud ja seda suurema energiaga footonid ehk valguskvandid neist väljuvad.

Tavaliselt mõõdetakse kvantide energiat ultraviolett- ja röntgenikiirguse piirkonnas elektronvoltidega (eV). Üks elektronvolt on energia, mille omandab elektron, läbides elektriväljas potentsiaalivahemikku üks volt. Nähtava valguskvandi energia on umbes 1,8 (punane) kuni 3,1 (sinine) elektronvolti. Nende päikesekiirguse kvantide energia, mille toimel inimesel nahk pruunistub, on umbes 4–6 eV. Meditsiinis kasutatakse röntgenipildi tegemiseks kvante energiaga sadakond elektronvolti. Tuhandet ehk kiloelektronvolti tähistatakse lühendiga keV, miljonit MeV ja miljardit elektronvolti GeV. Niipalju siis mälu värskendamiseks.

Tegelikult muidugi kiirgab tiireldes iga laetud osake, näiteks prooton, ent kiirguse intensiivsus on pöördvõrdeline osakese seisumassi neljanda astmega. Seetõttu soovides saada intensiivset sünkrotronkiirgust, kasutataksegi osakestena just “kergeid” osakesi – elektrone. Intensiivse ultraviolett- ja röntgenikiirguse tekitamiseks tuleb panna elektronid liikuma peaaegu valguse kiirusega mööda ringtrajektoori, näiteks magnetvälja abil.


Lundi MAX-laboris

Elektronide algallikaks on tavaliselt elektronkahur, mis varem sarnanes tavalises televiisoris olevale, tänapäeval aga enam mitte. Selle asemel kasutatakse üha keerulisemaid seadmeid, mis annavad suurema tihedusega ja väiksemate mõõtmetega elektronide kimbu. Näiteks uuemates ringides on elektronide allikaks ülilühikese laseriimpulsiga metallist väljalöödud elektronide kimp. Enamasti ei tööta elektronkahur pidevalt, vaid impulssrežiimis kestusega mõni mikrosekund ja sagedusel mõnikümmend hertsi.

Energia, millega elektronid kahurist väljuvad, on mõnisada tuhat kuni mõni miljon elektronvolti. Tavaliselt ei piisa sellise energiaga elektronidest veel koguri täitmiseks, vaid kasutatakse ka vahekiirendeid, mis tavaliselt on lineaarkiirendid – linakid (ingl linac) ja/või nn buustersünkrotronid – vahekiirendusringid. MAX-laboratooriumis on kasutusel kaks kogurit: MAX-I elektronide energiaga 550 MeV-i ja MAX-II energiaga 1,5 GeV-i. Seejuures oli kuni viimase ajani sealne MAX-I ühtlasi oma noorema venna buustersünkrotroniks. Sellest aastast aga suudetakse saada lineaarkiirendist sellise energiaga elektrone, millega täita mõlemad ringid. Ehitamisel on ka kolmas kogur MAX-III, milles tiirlevate elektronide energia on 700 MeV-i (joonis trükinumbris).

Elektronkahurist väljuv elektronide “rong” siseneb kohe paljudest kiirendusrakkudest koosnevasse linakisse. Rakkude vahele tekitatakse raadiosagedusliku klüstroni (raadio- ja televisioonisaatjate võimsuslambi) abil väga tugev elektriväli – paarkümmend miljonit volti meetri kohta. Kuna MAX-I täitmiseks peab elektronide energia olema vähemalt sada miljonit elektronvolti, tuleb elektronidele anda selline energia linakis.

Veel aasta tagasi kasutati MAX-is väikest, 5 MeV-st linakit ning selleks, et elektronid püsiksid MAX-I orbiidil, pidid nad linaki läbima 20 korda. Elektronide kallutamiseks kasutati muutumatu magnetväljaga magneteid. Sellist seadet, mis koosnes linakist, õhutühjast torude süsteemist, mille sees elektronid liikusid, ja püsimagnetitest, mis elektrone kallutasid, nimetati mikrotroniks ning sellest tulenes ka MAX-i nimi (Microtron, Accelerator, X-Rays).

Tänapäeva tehnoloogia võimaldab aga valmistada suuremaid lineaarkiirendeid, nende energiatarve jääb mõistlikkuse piiridesse ning seetõttu on mikrotron asendatud kahe võimsa linakiga, milledest kumbki võimaldab elektrone kiirendada kuni 125 MeV-ni. Läbides mõlemad lineaarkiirendid kaks korda, saavutab elektronkimp lõpuks energia 500 MeV-i ning sellega saab täita kõik kolm kogurit.

Linakist transportkanali kaudu MAX-I ja MAX-II koguritesse tulistatud elektronkimbud hoitakse kogurites ringorbiidil, kuna magnetite toitevool loob sobiva tugevusega magnetvälja. Niipea kui elektronid läbivad kallutusmagneti, kaotavad nad kiirates oma energiat. Selle kao kompenseerimiseks kasutatakse raadiosageduslikku õõnesresonaatorit (ingl cavity), mida MAX-I-s toidab 500-, MAX-II-s aga 100-megahertsine klüstron. Elektronid, mis sisenevad resonaatorisse ühes taktis raadiosagedusliku väljaga, saavad sellelt tagasi täpselt energiahulga, mille nad on kaotanud ühe ringi läbimisel. Kuna raadiovälja sagedus on konstantne, saab ainult väike osa elektronidest õige kiirenduspinge resonaatori ühe lainepikkuse juures. Nii tekitatakse kogurisse lühikesed, mõne sentimeetri pikkused elektronide salgad (ingl bunches), mis järgnevad üksteisele kas 500 MHz-le vastava lainepikkuse, s.o 0,6-meetriste või 100 MHz-le vastava lainepikkuse ehk kolmemeetriste vahedega.

Raadiovälja sagedus peab olema selline, et lainepikkusi mahuks ringi täisarv korda. MAX-I-s on see arv normaalses töörežiimis 54, seega tiirleb koguris kuni 54 elektronisalka, MAX-II-s aga 30. Linakist tulnud järgmine elektronide “rong” läbib sama tee ning elektronide arv salkades kasvab, st ringi vool suureneb. Nagu öeldud, on elektronide energia nüüd 500 MeV-i. Et nad saaksid lõppenergia 1,5 GeV-i, tuleb neid “rammustada” (ingl ramping). Kuna elektronide kiirus on juba väga lähedane valguse kiirusele (99,9999 protsenti valguse kiirusest), siis nendele energia lisamine viib vaid relativistliku massi kasvuni, ilma et kiirus oluliselt muutuks. Arvestades, et magnetväljaga elektronide energiat kasvatada ei saa, tuleb seda teha õõnesresonaatori abil. Selleks suurendatakse koguri kõikide magnetite välja lineaarselt, mille tõttu väheneb elektronide trajektoori kõverusraadius, nad jõuavad õõnesresonaatorisse varem ja seetõttu saavad sealt ka rohkem energiat. Rammustamine kestab seni, kuni magnetid on saavutanud magnetväljatugevuse, mis on piisav 1,5 GeV-iste elektronide hoidmiseks ringis.

Kui nüüd mõne sentimeetri pikkune elektronide salk läbib kallutusmagneti, kiirgab ta valgusimpulsi, mis laboratoorse vaatleja jaoks kestab sadakond pikosekundit. Valgussähvatused järgnevad iga 0,6 meetri, s.o iga 2 nanosekundi järel MAX-I-s ja 3 meetri ehk 10 nanosekundi järel MAX-II-s. Kui täita ring ainult ühe salgaga, on valgusimpulsside vaheline intervall kas 120 ns (MAX-I) või 300 ns (MAX-II). Sellises režiimis saab uurida paljusid kiireid protsesse, kasutades aeglahutusega spektroskoopiat. Pärast mitmeid tunde tiirlemist on kogurid erinevate kaoprotsesside tõttu kaotanud enamuse oma elektronidest ja ring täidetakse uute elektronidega. Kuna elektronkimbu eluiga sõltub elektronide energiast, on MAX-II-s see tunduvalt pikem kui MAX-I-s. MAX-II ring saab endale uued elektronid ainult kord ööpäevas, MAX-I aga mõne tunni tagant.


Võnguti ja undulaator

Nagu eespool öeldud, kiirgavad relativistlikud elektronid magnetväljas väga laias spektriribas. Näiteks MAX-I koguris ulatub elektronide kiiratava footoni energia mõnest mikroelektronvoldist mõne tuhande elektronvoldini. MAX-I intensiivsuse maksimumis, 300 eV kohal, kiirgub kallutusmagnetitest ühe milliradiaani laiusesse horisontaalnurka ühe elektronvoldi laiuses spektriribas kuni 1013 footonit sekundis ringi ühe milliamprise voolu kohta. MAX-II-s on vastav number 1014 2000 eV juures.

Kuigi selline footonite arv oli veel mõned aastad tagasi piisav enamiku tahkisespektroskoopia eksperimentide jaoks, pole see tänapäeval enam nii. Eriti veel, kui uuritav aine on gaasilises olekus, kus vajatakse suuri kiirguse tihedusi. Niisuguse tiheduse saamiseks spektromeetri fookuses on vaja väga intensiivset punktvalgusallikat. Selleks ongi undulaator.

Undulaator on üks seade perekonnast, mille ingliskeelne nimi on insertion devices, eesti keeles võiks neid kutsuda rivimagnetseadmeteks. Need koosnevad koguri sirgetele osadele paigutatud järjestikustest püsiväljaga magnetitest. Sellises väljas liikudes on elektroni trajektoor lähedane sinusoidile. Kui magnetväljatugevus ja magnetpooluste samm on selline, et järjestikustelt siinuseperioodidelt kiiratud valguslained on omavahel koherentsed, st “käivad ühte jalga”, ja interfereeruvad (teatud lainepikkused võimenduvad ja teatud kustuvad, tekivad intensiivsuse piigid kindlate lainepikkuste juures), on tegu undulaatoriga (it undula – laine). Millistel lainepikkustel tekivad interferentspildi maksimumid ja miinimumid, sõltub elektronidele mõjuvast magnetväljatugevusest, püsimagnetite korral magnetpilu laiusest. Kui suurendada magnetvälja ja magnetpooluste sammu nii, et igas siinuse perioodis kiiratud valguslaine on sõltumatu eelmistest ja järgnevatest, on tegu vigleri ehk võngutiga (ingl wiggle – loksutama, väristama). Kasutades ülijuhtivate magnetite ülitugevat magnetvälja, milles elektronkimp teeb vaid ühe võnke, on tegu lainepikkuse nihutiga (ingl wavelength shifter). Selline seade nihutab sünkrotroni kiirgusspektri lühemalainelisele poolele, kuid ei anna juurde intensiivsust. Viglerist tulnud kiirgus on tavaliselt paar suurusjärku intensiivsem kui kallutusmagnetitega saadu, kuid on samuti suunatud laia ruuminurka. Suure eredusega paistab silma ainult undulaator.

Tänu interferentsile saame küll intensiivse ja suure eredusega kiirguse, aga intensiivsus sõltub tugevasti footoni energiast. Seetõttu on eksperimendis võimalik footoni energiat fikseeritud magnetpilu korral varieerida suhteliselt väikestes piirides. Et mõõta spekter laiemas energiapiirkonnas, tuleb muuta magnetpilu. Trükinumbris toodud joonisel on visandatud elektronkimbu käitumine kallutusmagnetites ja rivimagnetseadmetes, fotol aga on kujutatud DESY undulaatorid. Tegemist on suurte ja massiivsete seadmetega ning kiirgus, mis sealt väljub, on vägagi intensiivne. Kui koguris tiirlevate elektronide energia on mitmeid gigaelektronvolte, nagu näiteks Euroopa sünkrotronkeskuses ESRF Grenoble’is, kus see näitaja on 6 GeV-i, võib undulaatorist väljuv kiirgus ioniseerida ka õhku ning moodustub vägagi efektne “Tähtede sõja” filmist tuttava lasermõõgaga sarnane pilt.


Kiirekanalid

Nagu eespool kirjeldatud, on kogurites footonite allikateks kas kallutusmagnetid või rivimagnetseadmed. Selleks et kiiratud footoneid eksperimentides kasutada, tuleb nad tavaliselt monokromatiseerida, st eraldada kogu valgusvoost ühe kindla energiaga (lainepikkusega) footonid. Selleks kasutatakse spektraalseadmeid, mida kutsutakse monokromaatoriteks (kr monos – ainus, chrōma – värvus). Monokromaatorist väljuva valguse lainepikkus on muudetav, seda reguleeritakse vastavalt eksperimendi eesmärkidele. Kuna kogurid kiirgavad footoneid väga laias spektripiirkonnas, alates infrapunasest kuni kalgi röntgenini (footoni energia kümnetest millielektronvoltidest kuni kümnete tuhandete elektronvoltideni), siis on ka erisugustes lainepikkuspiirkondades kasutatavad monokromaatorid väga erineva ehitusega. Kuigi on ringe, kus tehakse eksperimente ka infrapunapiirkonnas, on siiski põhilises osas kasutusel ultraviolett- ja röntgenikiirgus footoni energiaga vahemikus viiest elektronvoldist kuni mõnekümne tuhande elektronvoldini. On selge, et monokromaatorite tööpõhimõtted sellises laias energiavahemikus on vägagi erinevad. Ühisnimetajaks on aga see, et põhiosa selle piirkonna footonitest neeldub tugevalt õhus ja seetõttu peab kogu aparatuur olema kõrgvaakumis. Samuti on kõrgvaakumis sünkrotroni üksikosad – elektronkahurid, linakid ja kogurid.

Normaalne vaakum kogurites on 10–10 millibaari ümber, mis vastab kosmilisele vaakumile (rõhk 1013 korda väiksem kui atmosfääris). See võimaldab ühendada teadusaparatuuri koguri vaakumkambri külge. Seda kompleksi, mis koosneb erinevatest optikaelementidest kiirguse fokuseerimiseks, monokromaatorist, eksperimendiseadmetest ja mis kõik asuvad kõrgvaakumis, nimetataksegi kiirekanaliks (ingl beamline). Tavaliselt on kiirekanali esimeseks elemendiks peegel, mille ülesandeks on fokuseerida kas rivimagnetseadmetest või kallutusmagnetitest tulnud kiirgus monokromaatori sisendisse. Et kiirekimbus peegel tublisti kuumeneb, jahutatakse teda tavaliselt veega. Täpsemalt tuleb kiirekanaleist ja nendel tehtavatest eksperimentidest juttu järgmises Horisondis.


Seitsme aasta pärast samal teemal

Nagu alguses mainitud, käib juba neljanda põlvkonna kogujaringide konstrueerimine. Mis seal siis muutub, võrreldes kolmanda põlvkonnaga, on selge vaid teoreetiliselt. Seetõttu ei hakkaks siin seda täpsemalt lahkama. Siiski tahaks veel paari sõnaga kirjeldada ühte võimalikku kõrvalharu tuleviku sünkrotronidel, ja see on laser vabadel elektronidelLVE (ingl FEL – Free Electron Laser).

Mis on kolmanda põlvkonna ringide puudused, mida seal peab veel täiustama? Kõigepealt kiirguse ajaline jaotus. Nagu öeldud, on elektronsalkade pikkused ringis mõnesentimeetrised, mis ajaliselt vastab mõnekümnele pikosekundile. Paljud protsessid aines aga toimuvad veel tunduvalt lühemate ajavahemike – femtosekundite (10-15 s) vältel. Et neid uurida, peab ka ergastava valgusvälke kestus olema samas suurusjärgus. Sünkrotronis on aga nii lühikesi, alla millimeetri pikkusega elektronsalkasid peaaegu võimatu tekitada, kuna elektronide tihedus salkades läheb liiga suureks ning salk laguneb iseenesest mõne sekundiga.

Tähtis elektronkimbu eluea mõjur kogurites on nn Toucheki efekt, mis kirjeldab elektronide omavahelist vastastikmõju – mida tugevam see on, seda lühem on salga eluiga. Seetõttu püütakse salkasid kogurites pigem pikendada, vähendades seal elektronide tihedust, et niiviisi suurendada elektronkimbu eluiga.

Samuti on valgusimpulsside korduvussagedus määratud ringi parameetritega ning kasutaja seda muuta ei saa. See teeb aga keeruliseks mõningate protsesside ajalise käigu uurimise. Injektsioonist möödunud ajast sõltub ka footonite välje kvaliteet. Seetõttu üritatakse ehitada footonite allikat, milles valgusimpulsi kestus oleks väike (femtosekundi piirkonnas), korduvussagedus kontrollitav, iga välgatus genereeritud “värske” elektronsalgaga ja footoneid võimalikult palju ühes impulsis. Selliseks ultraviolett- ja röntgenipiirkonna footonite allikaks ongi laser vabadel elektronidel.

Oma olemuselt on säärane laser ülipikk undulaator, mida toidetakse elektronidega kõrgenergeetilisest linakist. Selles liikuvad elektronsalgad on ülilühikesed ning ülisuure tihedusega. Suurim raskus ongi olnud siiani elektronide allika konstrueerimine, mis võimaldaks selliseid suure tihedusega salkasid saada. Kui paigutada pika undulaatori ühte otsa poolläbilaskev ja teise otsa täielikult peegeldav peegel, saadakse standardne laseri konstruktsioon ning undulaatoris liikuv valguskimp võimendub koosmõjus seal liikuva elektronide kimbuga. Selline seade töötab aga ainult infrapunapiirkonnas, kuna footonite suurema energia juures kuumeneksid peeglid üle ja häviksid, samuti on lühematel lainepikkustel probleeme peeglite peegeldusvõimega. Kui tahetakse saada footoneid ultraviolett- või röntgenipiirkonnas, tuleb kasutada teist põhimõtet. Nimelt rakendatakse isevõimeneva spontaanse kiirguse (IVSK) nähtust, mis inglise keeles kannab nime Self Amplified Spontaneous Emission (SASE). Kui nii undulaatori pikkus kui ka selles liikuva elektronkimbu tihedus ületavad kriitilise piiri, algab huvitav vastastikmõju kimbust kiiratavate footonite ja elektronide vahel: nad hakkavad üksteist võimendama ning footonite arv kimbus kasvab järsult, eksponentsiaalselt (joonis trükinumbris). Undulaatori teatud pikkuse juures saabub küllastus ning footonite hulk enam ei suurene. See kriitiline pikkus võib ulatuda sadade meetrite, undulaatorisse elektrone süstiva linaki pikkus aga kilomeetriteni.

On selge, et niisugust ülimat seadistustäpsust nõudvate tohutute seadmete ehitamine on kallis ning taskukohane ainult suurtele riikidele. Kuigi väiksemate LVE-de projektid on peaaegu igal sünkrotronilaboratooriumil, on praegu teoksil kaks suuremat IVSK LVE projekti: USA-s Stanfordis ja Saksamaal Hamburgis, kus aastal 2000 saadi esimest korda maailmas IVSK LVE kiirgust ultraviolettpiirkonnas. Hamburgi LVE tuleb üleeuroopaline ning sealne röntgenlaser peaks valmima aastal 2012. Tolle pikkus peaks tulema 3,3 kilomeetrit, kiiratava footoni energia vahemikus 2–150 keV-i, elektronide energia 10–20 GeV-i ning maksumus umbes miljard eurot. Jääme huviga ootama, kuidas see töö edeneb, et hiljemalt seitsme aasta pärast kirjutada tulemustest ka Horisondis.

PS!

Sooviksin siinkohal avaldada siirast tänu minu endistele ja praegustele kolleegidele füüsika instituudi röntgenspektroskoopia laboratooriumist, Oulu ülikooli elektronspektroskoopia laboratooriumist ja MAX-labist. Samuti tänan Henn Käämbret käesolevas kirjatükis kasutatud terminite eestistamisel ja keelelisel lihvimisel.


ERGO NÕMMISTE (1956) on Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi direktor, füüsikadoktor.



Ergo Nõmmiste