01
А
Астрономия
02
Б
Биология
03
Г
Гуманитарные науки
04
М
Математика и CS
05
Мд
Медицина
06
Нз
Науки о Земле
07
С
Сельское хозяйство
08
Т
Технические науки
09
Ф
Физика
10
Х
Химия и науки о материалах
Физика
23 марта
Большие игрушки больших ученых: XFEL

Три с половиной километра рентгеновского излучения

Frank Babies/DPA

Зачем рыть трехкилометровый тоннель, чтобы увидеть атомы, и почему физики потратили больше миллиарда долларов для медиков и микробиологов, читайте в новом материале из цикла «Большие игрушки больших ученых».

В 1960 году в лаборатории Теодора Меймана в США заработал первый в истории лазер. В 1964 году советские физики Александр Прохоров и Николай Басов, а также их американский коллега Чарльз Таунс получили Нобелевскую премию «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей на лазерно-мазерном принципе». Так началось победное шествие лазеров по миру.

Dc6626641d3dd9ccde76c4738cc06b23b70bd306
Тоннель, по которому проложен XFEL
Dirk Nölle/DESY

Первые лазеры работали в видимом диапазоне (laser, light amplification by stimulated emission of radiation — в переводе «усиление света посредством вынужденного излучения») и микроволновом (maser, microwave amplification by stimulated emission of radiation — «усиление микроволн посредством вынужденного излучения»). Позже появились инфракрасные, ультрафиолетовые… Сделать когерентное излучение в рентгеновском диапазоне оказалось гораздо сложнее.

Тем не менее в 2017 году в Германии заработал огромный прибор XFEL — европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European X-ray Free Electron Laser). Проект стоимостью в 1,22 миллиарда евро был запущен в 2009 году в ходе совместного проекта европейских государств. Наибольший вклад в проект внесли собственно Германия и Россия — 58 и 27 процентов от общей суммы проекта соответственно. Остальными участниками стали Дания, Франция, Венгрия, Польша, Словакия, Швеция и Швейцария.

Bd1802f2c95fcf43a52d3d5fd2d3878f7ea7ecec
Техник контролирует место сцепки ускорителя частиц XFEL
Daniel Bockwoldt/EPA

Новая установка класса «мегасайнс», как сейчас принято говорить, дала первые электронные пучки в апреле 2017 года, рентгеновские импульсы в мае, а первые эксперименты на XFEL начались в сентябре.

Как работает XFEL? По-хорошему, это не совсем лазер, скорее это ускоритель-источник синхротронного излучения — устройство, в котором излучение вызвано движением электронов с релятивистскими (околосветовыми) скоростями по искривленным магнитным полем траекториям. Сначала электроны разгоняются в цепочке сверхпроводящих магнитов, охлаждаемых жидким гелием до -271 °C, затем они попадают в так называемый ондулятор, где движутся по синусоидальным траекториям и испускают рентгеновские фотоны. При этом происходит так называемая самоусиливающаяся спонтанная эмиссия, когда электроны взаимодействуют с излучением, которое создают «соседние» электроны.

A445188f9c7b6a59a959370340e2e035af5dc4dd
Комплекс Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)
Frank Babies/DPA

3,4-километровый ускоритель, протянувшийся в тоннеле диаметром 5,3 метра из Гамбурга, где расположен центр «Германский электронный синхротрон» (Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY) до городка Шенефельд, построен так, что рентгеновское излучение, которое испускают электроны, аналогично лазерному. Энергия электронов настолько велика (17,5 ГэВ), что «на выходе» получается самый мощный в мире источник рентгеновского излучения с длиной волны от 0,05 до 4,7 нанометра.

Зачем же нужно это сверхдорогое устройство? Вряд ли более миллиарда долларов нужно только для того, чтобы просто получить рентгеновский лазер. Как ни странно, но главными «потребителями» XFEL станут молекулярные биологи и медики: длина волны рентгеновского излучения меньше атома (длина одинарной связи углерод-углерод равна 0,154 нм), что позволяет «увидеть» конфигурацию биологических молекул с атомным разрешением. А то, что лазер способен давать 27 тысяч импульсов в секунду, позволит отслеживать молекулярные процессы в режиме реального времени и видеть каждый этап сложнейших реакций, которые идут в нашем организме.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.

Комментарии

Все комментарии
САМОЕ ЧИТАЕМОЕ
Обсуждаемое