Лазер на свободных электронах

Рентгеновский лазер, яркость которого на несколько порядков превосходит существующие источники синхротронного излучения, — это фантастика, которая вот-вот воплотится в реальность.

Проект рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL (X-ray Free-Electron Laser) осуществляется странами Евросоюза при активном участии России. Строительство началось в Германии в 2009 году, а в июне нынешнего года пройден важный этап — завершено сооружение подземной части комплекса. Установку лазера и исследовательского оборудования планируется закончить к 2015 году. Сам лазер начнёт работать в 2016 году. В научном мире ждут появления уникального лазера, пожалуй, с не меньшим нетерпением, чем когда-то ожидали запуска Большого адронного коллайдера. У исследователей появится научный инструмент, с помощью которого можно будет изучать строение биологических структур в атомном масштабе, тонкости быстрых химических реакций, экстремальные состояния вещества.

Рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL

Рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL: туннель уже построен, оборудование проходит испытания.

Комплекс XFEL состоит из системы туннелей, протянувшихся на глубине от 6 до 38 м под землёй на расстояние 3,4 км, от городка исследовательского центра DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, немецкий электронный синхротрон) до города Шенефельд (земля Шлезвиг-Гольштейн). Туннели, общая длина которых составляет 5,77 км, ведут в экспериментальный зал площадью 4500 м2, расположенный на глубине 14 м.

Для генерации рентгеновского излучения пучок электронов сначала надо ускорить почти до скорости света. Максимальная энергия, которую предполагают достигнуть в линейном сверхпроводящем ускорителе, занимающем разгонный туннель длиной 2,1 км, — 17,5 ГэВ. Далее пучки, повёрнутые магнитным полем, попадут в «веер» из пяти так называемых фотонных туннелей, которые ведут в подземный экспериментальный зал в Шенефельде, где разместится исследовательская аппаратура. В туннелях расположены системы сильных разнополюсных магнитов (ондуляторы), которые заставляют электроны двигаться по траектории, близкой к синусоиде. В результате их продольная скорость меняется и возникает магнитотормозное излучение, которое называют также ондуляторным. Оно имеет ту же природу, что и синхротронное. Благодаря эффекту Доплера на околосветовой скорости частота излучения электронов во много раз превышает частоту их колебаний и попадает в рентгеновский диапазон.

Ондуляторы в ожидании настройки

Ондуляторы в ожидании настройки

Система сконструирована так, что электроны группируются в сгустки, излучающие синхронизированно, световые вспышки от них складываются и мощность излучения быстро растёт пропорционально длине
магнитной системы. В результате возникает импульс монохроматического слаборасходящегося когерентного излучения огромной мощности. По свойствам такое излучение аналогично лазерному, за что система и получила название лазера. Синхротронное излучение неондуляторных источников некогерентно.

Туннели рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL расположены под землёй, между исследовательским центром DESY в Гамбурге и экспериментальной площадкой в Шенефельде (земля Шлезвиг-Гольштейн).

Туннели рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL расположены под землёй, между исследовательским центром DESY в Гамбурге и экспериментальной площадкой в Шенефельде (земля Шлезвиг-Гольштейн).

Максимальная энергия электронов уже существующих источников синхротронного излучения не превышает 14 ГэВ. В частности, аналогичная японская установка SPring-8, созданная в 1997 году, имеет энергию 8 ГэВ.

Квадрупольные магниты, изготовленные в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера.

Квадрупольные магниты, изготовленные в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера.

Пиковая яркость излучения будущего рентгеновского лазера превзойдёт эти значения в миллиард раз, средняя яркость — в десять тысяч раз.

Ондуляторные системы обладают важным преимуществом перед другими источниками излучения (ускорителями, лазерами). Они дают возможность плавно регулировать частоту излучения путём изменения величины магнитного поля ондулятора и энергии частиц пучка. Пять туннелей с разными ондуляторами — это пять источников рентгеновского излучения с разными характеристиками.

Схема работы рентгеновского лазера на свободных электронах.

Схема работы рентгеновского лазера на свободных электронах.

Длительность импульса излучения будет рекордно мала — менее 100 фемтосекунд (10-13с). За время порядка фемтосекунд в химических реакциях формируются и группируются молекулы. За секунду можно будет получать до 27 000 импульсов, что даст возможность изучать очень быстрые процессы, которые нельзя исследовать другими методами. В частности, следить за молекулярными и атомарными процессами, происходящими в неорганических материалах и биологических молекулах. Длина волны генерируемого излучения может меняться от 0,05 до 6 нм (для сравнения: 0,1 нм — по порядку величины диаметр атомов или период атомной решётки большинства кристаллов). Это позволит производить измерения на атомных масштабах, наблюдать в реальном времени процессы образования и разрушения молекул, протекание химических реакций. Можно будет мгновенно регистрировать фазовые переходы в материалах под действием мощного импульсного излучения. В перспективе такие исследования помогут лучше понять природу вещества, а значит, научиться конструировать новые материалы с заданными свойствами.

С помощью рентгеновского лазера на свободных электронах биофизики собираются исследовать структуру биологических молекул и патогенных микроорганизмов. В частности, изучить на атомарном уровне природу вирусов. Если удастся увидеть, как вирусы атакуют клетку, можно будет найти ключ к созданию более эффективных лекарств. Интересна возможность наблюдать трёхмерную структуру белков. Расшифровка такой структуры обещает революции в биологии, медицине, генетике, — неслучайно ею занимаются многие лаборатории мира. Трёхмерное изображение человеческой хромосомы и вируса уже получили на японской установке SPring-8. В 2012 году на самом мощном на сегодняшний день рентгеновском лазере LCLS (Стэнфорд, США, 2009 год) определили структуру белка, имеющего отношение к африканской сонной болезни. А когерентность рентгеновского излучения даст возможность получать голографические изображения на атомарном уровне.

Испытание сверхпроводящих модулей в вертикальном криостате.

Испытание сверхпроводящих модулей в вертикальном криостате.

Так что XFEL не только самый передовой край фундаментальной науки, но важный инструмент для практической работы. Уже сейчас, задолго до пуска лазера, есть заказчики на проведение исследований, в основном фармацевтические компании. Их не останавливает даже ожидаемая высокая стоимость работы для коммерческих организаций — 14 тысяч евро за час. Возможности, которые даст XFEL того стоят.
К сожалению, рентгеновское излучение с нужными характеристиками может быть создано лишь гигантскими и очень дорогими установками. Упомянутая выше японская установка SPring-8 занимает площадь около 141 гектара, её строительство обошлось почти в 1,2 млрд долларов, а стэнфордский лазер LCLS стоил 420 млн долларов.

В международном научном проекте XFEL участвуют 12 стран: Германия, Россия, Франция, Швейцария, Италия, Испания, Швеция, Польша, Дания, Греция, Словакия, Венгрия. Использовать главный ресурс установки — пучковое время страны-участницы будут в соответствии с вкладом каждой в её создание. Более половины затрат на строительство принадлежит Германии, вторая по величине доля у России — около 27% (306,4 млн евро в ценах 2005 года). Вклад других стран составляет 1—3,5%.

Отметим важный момент: если в проектах ЦЕРНа, в том числе и Большого адронного коллайдера (LHC), Россия первоначально имела статус только наблюдателя, то в проекте XFEL она стоит у его истоков. Сама идея подобного устройства принадлежит отечественным исследователям. Ещё в 1947 году В. Л. Гинзбург выдвинул идею ондулятора, впервые рассмотрел возможность получать излучение релятивистских электронов в периодических структурах и указал на его преимущества перед синхротронным излучением: монохроматичность в заданном направлении и более высокая плотность потока энергии. Он также оценил условия когерентного излучения электронных сгустков и его усиления путём использования сгустков, расставленных на расстояниях, равных длине волны излучения. А в начале 1980-х годов российские исследователи из новосибирского Института ядерной физики им. Г. И. Будкера — Е. Л. Салдин, А. М. Кондратенко и Я. С.Дербенёв — впервые предложили режим генерации лазерного рентгеновского излучения, впоследствии положенный в основу XFEL и рассчитали параметры магнитной системы, группирующей электроны нужным образом.

Представители России входят в администрацию проекта XFEL финансовый и научный комитеты, финансирование осуществляет ОАО РОСНАНО. В исследовательских работах и в изготовлении уникального оборудования участвуют новосибирский Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера, Институт физики высоких энергий в Протвино, Институт ядерной физики в Троицке, Объединённый институт ядерных исследований в Дубне, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ, Институт кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН и другие.

Поставка оборудования для оснащения подземного комплекса XFEL уже идёт. Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова, который уже давно сотрудничает с DESY, изготовил несколько сотен электромагнитов для высокоточной фокусировки электронного пучка в ускорителе, часть из них уже доставлена в Германию. В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера сделали 125 квадрупольных магнитов для установки в туннелях, где будет генерироваться рентгеновское излучение, а также три испытательных стенда для ускорительных модулей.

Что такое когерентность и как ее получают

Когерентностью в общем случае называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Термин происходит от латинского слова cohaerens — находиться в связи, быть сцепленным (именно поэтому чувствительный элемент первого радиоприёмника — «грозоотметчика» — назывался когерером: под действием электромагнитного импульса от молнии или сигнала передатчика железные опилки в его стеклянной трубке сцеплялись, становясь хорошим проводником). Монохроматические волны когерентны, если разность фаз остаётся постоянной во времени (временная когерентность) или по мере распространения (пространственная когерентность). При сложении когерентных волн их амплитуды суммируются.

888653178

Вспомним, как происходит излучение на атомном уровне. Получая энергию за счёт нагрева вещества, пропускания электрического тока или других источников, электроны атома переходят на более высокий энергетический уровень. Опускаясь на нижний, основной, уровень, они излучают фотоны. Энергию фотонов и, следовательно, их частоту ν определяет разность уровней энергии: ΔE = hν, где h — постоянная Планка. На нижний уровень электрон может опуститься по одному из двух
сценариев: либо самопроизвольно (спонтанно), либо за счёт взаимодействия с посторонним фотоном, имеющим ту же энергию ΔE. Во втором случае излучение атома называется вынужденным, или индуцированным.

Излучение обычных источников (тепловых, вроде лампочек накаливания, плазменных, типа люминесцентных ламп) происходит по первому сценарию. Атомы вещества излучают несогласованно, поэтому их излучение некогерентно, и с разных энергетических уровней, то есть оно немонохроматично. А когерентное излучение способен генерировать только лазер. В классическом лазере (в том числе рентгеновском — разере) создаётся инверсия электронной населённости — в результате поглощения энергии (накачки) в атомах рабочего тела на высоком уровне электронов больше, чем на низком (в обычных условиях наоборот). Причём на этом уровне электроны остаются достаточно долго, чтобы дождаться постороннего фотона (это состояние называется метастабильным). Излучённый индуцированный фотон имеет те же фазу и частоту, что и вынуждающий, — по веществу движутся уже два когерентных фотона. Дальше происходит лавинообразное нарастание интенсивности когерентного и монохроматичного лазерного излучения.

Когерентность излучения лазера на свободных электронах достигается другим путём — выбором геометрии ондулятора, при которой электроны собираются в сгустки, излучающие синхронно.