Новости

17.10.2014

Лазер в три километра

В начале октября в Московском физико-техническом институте прошел круглый стол, посвященный строительству XFEL — самого крупного в мире рентгеновского лазера (разера) на свободных электронах. Общая стоимость установки достигает 1,2 миллиарда евро. Доля финансового участия России в международной программе — 27 процентов. С российской стороны проект курирует «Курчатовский институт». 

detail_6cc6750637f866c7ec777fcc4766067e - копия.jpg

Тоннелепроходческая машина, используемая при прокладке ускорителя для лазера
Фото: XFEL

XFEL (X-ray Free Electron Laser — рентгеновский лазер на свободных электронах) — международная программа по созданию крупнейшей в мире установки для наблюдения за ходом химических реакций. По словам участников проекта, XFEL позволит проследить за сложными биохимическими процессами в клетках и приведет к быстрому прогрессу в понимании механизмов ряда заболеваний, например болезни Паркинсона.

Фактически новый лазер представляет собой уникальный инструмент, позволяющий в режиме онлайн следить за изменениями в трехмерной структуре крупных биомолекул.

Всего в строительстве XFEL занято около 250 человек из 12 стран-участниц проекта. Начатые в 2009-м работы планируется завершить в следующем году.

Еще через год рентгеновский лазер будет полностью готов к первым экспериментам. Самая крупная доля финансового участия у Германии — 58 процентов. На втором месте — Россия. Вклад остальных стран — Дании, Франции, Греции, Венгрии, Италии, Польши, Словакии, Испании, Швеции и Швейцарии — в диапазоне от одного до трех процентов.

pic_e76d272e282db2349740f55b01482adf.jpg

Географическое расположение разера
Изображение: XFEL

Квоты на использование лазера определяются пропорционально финансированию. Однако, по словам ученых, заявки на проведение наблюдений могут подавать все желающие. Решение о возможности тех или иных экспериментов будут принимать эксперты, руководствуясь актуальностью конкретных научных задач.

pic_cc2546af53d3eb2739dde8dc26a89d81.jpg

Визуализация подземных туннелей XFEL
Изображение: XFEL

Частицы, поступающие в ускоритель, выбиваются из металла при помощи специального лазера. Источник излучения должен удовлетворять специфическим условиям, так как самые незначительные отклонения в первоначальном движении электронов могут привести к получению на выходе пучка недостаточно высокого качества.

pic_a52a213588b27852dbebe09c84bb0819.jpg

Сверхпроводящий ускорительный элемент из ниобия
Фото: DESY

На первых 1,7 километра электроны будут ускоряться в специальных резонаторах, в которых разгон частиц осуществляется при помощи микроволнового излучения до скоростей, сравнимых со скоростью света. Сами резонаторы изготовлены из материала с ниобием, переходящим в сверхпроводящее состояние при охлаждении до температуры минус 271 градус Цельсия. Это позволяет почти без потерь расходовать электрическую энергию на ускорение частиц и формировать достаточно тонкий пучок электронов. В качестве охладителя планируется использовать жидкий гелий.

pic_4c486dbae4fe965cefef9774bc101fd6.jpg

Принципиальная схема работы лазера на свободных электронах
Изображение: DESY
Электроны проходят через магниты ондулятора, в результате чего происходит генерация когерентного синхротронного излучения. Его фокусировка происходит в электронной ловушке и луч лазера направляется на мишень.

Ускоренные электроны двигаются в так называемых ондуляторах (некоторые технологические решения для которых предложили ученые из Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске) — системы магнитов, заставляющей заряженные частицы излучать рентгеновские кванты со все большей интенсивностью. Скорость фотонов выше скорости электронов — распространение излучения опережает электроны, и последние, попадая в поле излучения первых, формируют в полости ондулятора конфигурацию из множества тонких дисков. Главная особенность такой системы — синхронное излучение, образующее короткие и интенсивные рентгеновские вспышки со свойствами лазерного пучка.

pic_c363aaff3478c61ac925d6479869935b.jpg

Ускорение электронов в резонаторе микроволновым излучением
Изображение: DESY

Формирование электронных дисков и излучения от них составляет содержание так называемой самоусиливающейся спонтанной эмиссии. Для получения качественных пучков на XFEL планируется использовать ондуляторы длиной более ста метров.

В зависимости от потребностей эксперимента, параметры лазера XFEL могут настраиваться с помощью различных оптических инструментов, таких как, например, зеркала, решетки, щели или преломляющие кристаллы. Эти элементы устанавливаются в базовые станции на выходе пучка и взаимодействуют с ним. Данные такого взаимодействия фиксируются датчиками и анализируются компьютером. Сами исследователи будут управлять и следить за ходом эксперимента из диспетчерских кабин.

pic_9a24660ffa6dc99df3c91d6243e79cce.jpg

Монтаж ондулятора
Фото: DESY

После ускорительной части 3,4-километрового туннеля лазер сможет генерировать около 27 тысяч рентгеновских вспышек с длиной волны от 0,05 до 6 нанометров в секунду и продолжительностью до ста фемтосекунд (менее одной триллионной доли секунды).

Это сделает установку самой мощной в мире среди всех рентгеновских лазеров: столь короткие импульсы позволят исследовать трехмерную структуру крупных биомолекул и их взаимодействия с точностью, недоступной ранее. Аналогичные лазеры работают в США и Японии, но их возможности на порядки ниже европейских.

Источник: Lenta.ru
Автор: Андрей Борисов


ВКонтакт Facebook Google Plus Одноклассники Twitter Яндекс Livejournal Liveinternet Mail.Ru

← Назад к списку новостей