Наука и технологии России

Вход Регистрация

XFEL: стройка полным ходом

В конце 2009 года в Европе приступили к новому масштабному научному проекту — строительству рентгеновского лазера на свободных электронах. Россия вкладывает в него значительные средства и получает преимущественное право размещать на своих предприятиях важнейшие заказы. Принцип работы лазера на свободных электронах. Сначала электроны разгоняются до высоких энергий в сверхпроводящем ускорителе. Затем они летят зигзагами через ондулятор и там создают рентгеновское излучение

В эпоху глобализации новый импульс для развития получили научные исследования — благодаря появлению масштабных наднациональных исследовательских проектов. Один из них — Большой адронный коллайдер (БАК) — благодаря СМИ приобрёл поистине небывалую известность. Газеты и журналы пестрели сообщениями о приближающемся конце света, чёрных дырах, которые якобы возникнут в ходе экспериментов на коллайдере и в которых исчезнет весь окружающий нас мир.

А между тем в 2009 году в окрестностях Гамбурга стартовал новый международный проект: в знаменитом немецком исследовательском центре DESY началось сооружение Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах, или сокращенно XFEL. Это событие не удостоилось сенсационных заголовков в СМИ, несмотря на то, что значение этого проекта вполне сопоставимо с исследованиями на БАКе. Общая стоимость проекта (в ценах 2005 года) составит 1,1 миллиарда евро. Протяжённость туннеля, в котором будет располагаться ускоритель электронов, достигнет 2,1 километра, а общая длина сооружения — почти 3,4 километра. В нём будет несколько подземных этажей на глубине от 6 до 38 метров.

Строительство лазера предполагают завершить в 2014 году, и уже на 2016 год запланированы первые эксперименты с пучками фотонов. В отличие от БАКа, будущий лазер призван решать в первую очередь задачи материаловедения и биотехнологии. Возможно, именно поэтому журналисты и эксперты не связывают с началом его работы какие-либо прогнозы апокалипсического характера. Проект по сооружению рентгеновского лазера на свободных электронах важен с точки зрения российских национальных интересов: среди 13 стран — членов международного консорциума — Российская Федерация по своему финансовому участию занимает в проекте второе место после Германии. Мы вкладываем 250 миллионов евро. Более того, наша страна располагает блокирующим пакетом в 23,6 процента голосов (по соглашению участников консорциума решения по наиболее важным вопросам будет принимать квалифицированное большинство в 77 процентов голосов). Это означает, что российские физики смогут влиять на формирование программы научных исследований, на распределение главного ресурса лазера — пучкового времени, на назначение и отзыв директоров проекта и т.д. Организацией, участвующей в запуске проекта и обеспечивающей выполнение обязательств Российской Федерации, стала ГК «Роснано».

Возможности рентгеновского лазера пригодятся и фундаментальной науке: исследуя явления при экстремальных значениях внешних параметров, мы сможем лучше понимать физику процессов, протекающих в недрах планет Солнечной системы

Благодаря значительному вкладу в строительство лазера наша страна получает также преимущественное право на размещение на отечественных предприятиях важнейших заказов, связанных с реализацией проекта. Так, к настоящему времени его руководители высказали заинтересованность в изготовлении на территории РФ фрагментов линейного ускорителя электронов, системы охлаждения, систем диагностики пучка и т.д. Общая стоимость заказов (в ценах 2005 года) может достичь 100 миллионов евро.

Зачем же мировой науке понадобился рентгеновский лазер? Чтобы ответить на это вопрос, обратимся к истории.

Как известно, «увидеть» детали небольшого по размерам объекта можно только с помощью излучения малой длины волны — она обязательно должна быть меньше размеров этого самого объекта. Уже без малого столетие для этой цели используют рентгеновское излучение. Как самостоятельный раздел физики рентгеновская кристаллография родилась в апреле 1912 года, когда в стенах Мюнхенского университета физик Макс фон Лауэ (1879–1960) наблюдал дифракцию рентгеновских лучей (открытых, напомним, в самом конце XIX столетия) на кристаллах медного купороса. А в 1914 году Лауэ за эту работу присудили Нобелевскую премию по физике.

Особое место в истории изучения строения вещества рентгеновскими лучами занимает сюжет, связанный с именем англичанки Розалин Франклин (1920–1958). В начале 1950-х ей удалось получить высококачественные изображения молекулы ДНК в рентгеновских лучах. Морис Уилкинс, руководитель лаборатории, в которой работала Франклин, показал эти снимки Френсису Крику (1916–2004) и Джеймсу Уотсону (р. 1928). Как впоследствии признавали Крик и Уотсон, именно изучение этих фотографий стимулировало их построить трёхмерную модель молекулы ДНК — знаменитую двойную спираль.

Руководители проекта высказали заинтересованность в изготовлении на территории РФ фрагментов линейного ускорителя электронов, системы охлаждения, систем диагностики пучка и т.д. Стоимость заказов (в ценах 2005 года) может достичь 100 миллионов евро

Достаточно давно физикам стало ясно, что идеальным инструментом исследования сверхмалых объектов мог бы стать лазер, работающий в рентгеновском диапазоне. Он делает возможным получение дифракционной картинки высокого разрешения при исследовании объектов размером в нано- и микрометры — причём тех, которые не обладают периодичностью кристаллической решётки. Детальная дифракционная картинка позволит нам восстановить информацию о строении таких объектов. Располагать подобными данными крайне необходимо врачам, биологам и материаловедам.

Отметим, что в 1980-е годы такие лазеры активно пытались создать в разных странах. Эти усилия, однако, были связаны не с рентгеновской кристаллографией, а с небезызвестной программой «Звёздных войн».

Строительство лазера предполагают завершить в 2014 году, и уже на 2016 год запланированы первые эксперименты с пучками фотонов Один из каналов, по которому идёт лазерный пучок, расположенный в зале эксперимента FLASH

Особенность экспериментов с рентгеновским лазерным излучением состоит в том, что с уменьшением длины волны автоматически растёт энергия квантов этого излучения, и, соответственно, увеличивается опасность «сжечь» изучаемый объект в процессе самого исследования.

Ещё в 2006 году журнал Nature Physics опубликовал онлайн результаты экспериментов, в ходе которых с помощью импульсов длительностью в 25 фемтосекунд специалистам удалось получить изображение наноразмерного объекта. Оно было восстановлено по дифракционной картинке, возникшей при рассеянии  пучка фотонов рентгеновского диапазона в течение первых 10 фемтосекунд с начала взаимодействия излучения с объектом. За оставшиеся 15 фемтосекунд он превращался в плазму.

В 2007 году та же группа учёных представила результаты ещё одного весьма многообещающего исследования. С помощью фемтосекундного лазера физикам удалось получить голографическое изображение сверхкороткого процесса — взрыва субмикронного полистиролового шарика, длящегося всего несколько пикосекунд (10-12 с). Опыты проводились с лазером на длине волны 32 нм, но уже сейчас группа располагает лазерами с длиной волны в 2 нм. Уменьшая при этом продолжительность одного импульса до нескольких фемтосекунд (период колебаний отдельных атомов) исследователи надеются увидеть в недалёком будущем объёмное изображение поведения отдельных молекул. Эту перспективу они связывают с 2016 годом, на который запланированы первые эксперименты со строящимся прибором XFEL. Отметим также, что в 2008 году группа американских и японских исследователей получила рентгеновское изображение мышиного вируса герпеса (MHV-68) с рекордным разрешением — 22 нм. Их планы на будущее связаны с более детальными снимками биологических макромолекул. Они также с нетерпением ждут начала экспериментов на новом лазере.

Российские физики смогут влиять на формирование программы научных исследований, на распределение главного ресурса лазера — пучкового времени, на назначение и отзыв директоров проекта и т.д.

Конструктивно строящаяся установка будет состоять из нескольких основных блоков. В первом электроны будут ускоряться до релятивистских скоростей. В «ускоряющем» блоке планируется использование сверхпроводящих контуров, охлаждаемых до температур – 271 °С. Во втором — так называемом ондуляторе — поступившие из ускорительного блока электроны попадут под воздействие магнитного поля особой конфигурации и, отклоняясь от прямолинейной траектории, будут ускоряться и генерировать спонтанное когерентное излучение.

Именно так станут формироваться «лучи» рентгеновского лазера на свободных электронах. В третьем блоке будут размещены образцы для исследования. Результаты взаимодействия рентгеновского излучения с этими образцами будут фиксироваться специальными детекторами.

Россия по своему финансовому участию занимает в проекте второе место после Германии. Мы вкладываем 250 миллионов евро

Как сообщается на официальном сайте проекта, лазер отличается прежде всего «скоростью стрельбы» — 30  тысяч импульсов электромагнитного излучения в секунду не способен обеспечить ни один рентгеновский лазер в мире. Длительность одного импульса не превысит 100 фемтосекунд, что позволит детально исследовать процессы образования молекул, учитывая, что когерентность лазерного излучения будет достаточна для получения изображений объектов атомных размеров в 3D-формате. Выдающейся будет и светимость строящегося лазера — одна из основных характеристик установки, определяемая плотностью потока фотонов данной энергии в единицу времени. Её пиковое значение в  миллиард раз превысит максимальную светимость обычных источников рентгеновского излучения.

Казалось бы, строящийся лазер предназначен исключительно для прикладных исследований. Однако его возможности пригодятся и фундаментальной науке: исследуя явления при экстремальных значениях внешних параметров, мы, к примеру, сможем лучше понимать физику процессов, протекающих в недрах планет Солнечной системы.

РЕЙТИНГ

5.00
голосов: 7

Обсуждение