Большие игрушки больших ученых: XFEL

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.

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% от общей суммы проекта соответственно. Остальными участниками стали Дания, Франция, Венгрия, Польша, Словакия, Швеция и Швейцария.

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.

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.