Российские учёные предложили метод создания ярких и многоцветных гамма-лучей

Исследователи из Сколтеха, МИФИ и ВНИИА имени Н. Л. Духова разработали новый метод создания компактных источников гамма-излучения, которые одновременно ярче, имеют более узкий спектр и способны излучать несколько «цветов» гамма-лучей сразу.

Это открывает возможности для более точной медицинской диагностики, улучшенного контроля материалов и даже производства изотопов для медицины прямо в лаборатории. Работа опубликована в журнале Physical Review A.

Гамма-лучи, создаваемые с помощью лазеров и пучков электронов, — перспективная технология, но до сих пор их спектр излучения был слишком «размыт», что снижало яркость и точность. Команда показала, что, «сложив» множество коротких лазерных импульсов в точно сформированную последовательность, можно сильно подавить спектральное уширение, ограничивавшее нелинейные комптоновские источники, и даже создать одновременные многоцветные гамма-пучки из одного взаимодействия.

Почему это важно

Когда пучок высокоэнергетических электронов сталкивается с интенсивным лазерным импульсом, электроны рассеивают свет и испускают рентгеновские или гамма-лучи — процесс, известный как обратное комптоновское рассеяние. Такие лазерные источники могут быть компактными и «чистыми» по спектру, что делает их привлекательными для ядерной фотоники, медицинской визуализации и изучения материалов.

«Плосковершинные» импульсы из «лазерного лего»

Новый метод устраняет узкое место, формируя временную форму лазерного поля. Вместо одного плавного гауссова импульса авторы предлагают когерентно складывать («стакивать») множество идентичных коротких импульсов с контролируемыми задержками, создавая огибающую, близкую к идеальному прямоугольному импульсу.

Когерентное сложение 10 умеренно сильных гауссовых импульсов даёт почти плосковершинное электрическое поле. При той же пиковой напряжённости поля сложенный импульс производит примерно в три раза больше фотонов вблизи спектрального пика, чем один длинный гауссов импульс, — это прямое свидетельство увеличения спектральной яркости.

Идея концептуально проста: вместо одного «колоколообразного» всплеска света мы строим плоское световое «плато» из множества меньших вспышек, — объясняет доцент Сергей Рыкованов из Центра ИИ Сколтеха. — Электроны тогда видят почти постоянную интенсивность, пока излучают, что предотвращает обычное нелинейное уширение гамма-линии.

Один пучок — много цветов

Помимо сужения спектра, стакивание импульсов также позволяет получить многоцветное излучение. В другой конфигурации исследователи делят последовательность импульсов на три группы с разными амплитудами, создавая огибающую в форме «лестницы» — три плоских ступени интенсивности во времени.

Когда пучок электронов взаимодействует с таким ступенчатым импульсом, результирующий гамма-спектр естественным образом разделяется на три хорошо разделённых пика, каждый из которых соответствует своему уровню интенсивности. Таким образом, одно лазерно-электронное столкновение может генерировать несколько точно определённых гамма-«цветов» одновременно.

Со ступенчатыми импульсами мы фактически программируем спектр, — говорит первый автор статьи, аспирантка Сколтеха Антонина Тимошенко. — Выбирая высоту и длительность каждой ступени, мы можем проектировать, какие гамма-цвета появятся и насколько они будут интенсивны.

Перспективы и применение

Такие одновременные многоцветные пучки перспективны для спектроскопического «опознавания» материалов. Разработка напрямую связана с планируемой линией интенсивного комптоновского излучения (ИКИ) Национального центра физики и математики (НЦФМ) в России, цель которой — создание источника гамма-излучения нового поколения с узкой полосой. Моделирование выполнялось на суперкомпьютере Сколтеха «Жорес».

ИИ: В 2026 году подобные исследования на стыке физики, лазерных технологий и искусственного интеллекта становятся ключевыми для прорывов в материаловедении и медицине. Возможность «программировать» спектр гамма-излучения открывает двери для создания принципиально новых компактных исследовательских установок.