Взламывая секреты материи: современные и будущие рентгеновские лазеры XFEL

XFEL в разрезе XFEL в разрезе

Не секрет, что для проведения все более и более сложных исследований ученым необходимы инструменты все сложнее и сложнее. Недавняя эпопея с адронным коллайдером только подтверждает этот факт. Но, увы, без сложных и дорогостоящих установок обойтись нельзя, когда нужно исследовать процессы в нанометровом диапазоне длин.

Например, биологам очень полезно знать структуру вирусов и даже сложных молекул белков, но исследовать их достаточно непросто. Помочь в этом может рентгеновский лазер, «прошивающий» ультракороткими вспышками образец и за крохотные доли секунды, пока он еще не испарился, у ученых есть шанс поймать дифракционную картину.

Несмотря на кажущуюся сложность принципа работы, понять, как устроен рентгеновский лазер просто. Начнем с названия – XFEL (Х-Ray Free Electron Laser) – рентгеновский лазер на свободных электронах. На самом деле, это не совсем лазер, а генератор монохроматического когерентного излучения (за что и назван лазером), построенный на базе огромного ускорителя электронов, движущихся со скоростями, близкими к световой.

Добиться наибольшей интенсивности излучения можно в том случае, если релятивистский пучок распространяется в переменных магнитных полях. Синхротроны , также использующие релятивистские пучки частиц, позволяют получать чрезвычайно мощное излучение, но, увы, не обладающее свойством когерентности.

В XFEL реализована идея российских ученых из новосибирского Института ядерной физики: Евгения Салдина, Анатолия Кондратенко и Ярослава Дербенева. Они показали, как подобрать параметры магнитной системы, чтобы навести порядок в неупорядоченном движении электронов, и тогда мощность излучения может увеличиваться более чем в миллион раз.

Рис. 1. Принцип действия рентгеновского лазера

Параметры магнитной системы подбирают так, чтобы навести порядок в неупорядоченном движении электронов. При этом мощность излучения быстро растет в зависимости от длины магнитной системы, увеличиваясь более чем в миллион раз. Получается пучок излучения, чем-то похожий на луч обычного лазера – тот имеет низкую расходимость, то есть слабо расширяется в пространстве, и потому с его помощью можно измерять расстояния не только до удаленных объектов на Земле, но и до Луны и планет.

Лазерный пучок прекрасно собирается специальной оптикой в пятнышко размером около длины волны (для излучения инфракрасных лазеров это микроны, а для лазеров ренгеновского диапазона, для которых применяется зеркальная оптика, – доли нанометров). Таким образом, достигается огромная концентрация энергии. Лазером можно резать металл, проводить хирургические операции, а можно, например, считывать информацию с оптических дисков.

С его помощью можно будет исследовать те молекулярные структуры, которые не получается изучить обычным путем. Например, многие белки очень сложно кристаллизовать, поэтому ученые не могут сделать их рентгеноструктурный анализ, а значит, и невозможно понять, какова их пространственная структура и какие свойства определяют их работу. Используя XFEL, на молекулу направят мощнейший луч: он за несколько фемтосекунд сделает «рентгеновский снимок» исследуемого белка.

Энергия лазерного пульса нагревает образец приблизительно до 60 тысяч градусов Кельвина, так что он практически сразу испаряется. Однако до того, как объект разлетался облачком плазмы, учёные ухитряются зафиксировать дифракционную картину, по которой можно было точно восстановить «портрет» образца и его структуру.

Полученные в результате такой обработки чёткие изображения микроскопических объектов (их разрешение составило 50 нанометров) показали, что съёмка происходила действительно до того, как рентгеновский лазер успевал нанести повреждение фотографируемому объекту.

Рис. 2. Новосибирский ЛСЭ

Эти предварительные эксперименты были проведены на сравнительно новом (построенном в 2004 году) лазере на свободных электронах FLASH германской электронно-синхротронной лаборатории (DESY – Deutsches Elektronen-Synchrotron) в Гамбурге. Проект же XFEL, длина магнитной системы которого составит более трех километров, позволит ученым пойти еще дальше.

В России ученые, представляющие самые разные научные направления, проводят уникальные эксперименты на лазере на свободных электронах (ЛСЭ), построенном Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ). Главной деталью сибирского устройства является два последовательных ондулятора (множества чередующихся магнитов, от периода которых зависит резонансная длина волны излучения) общей длиной 8 метров, придающих электронам энергию до 14 МэВ, что позволяет получать пиковую мощность излучения 600 кВт.

Как говорит руководитель проекта, Николай Винокуров, лазер выдает не непрерывное излучение, а последовательность импульсов длительностью 70 пс (пикосекунд), следующих с частотой от 2,8 до 11,2 МГц. Средняя мощность установки на частоте 5,6 МГц составляет 200 кВт.

Рис. 3. Планировка размещения Гамбургского XFEL

В США существует аналогичный проект – «Линейный источник когерентного света» (Linac Coherent Light Source — LCLS) в Стэнфорде, ориентировочный срок запуска – 2009 год.

Но развитие XFEL-направления не прекращается. В 2007 году в Гамбурге стартовал проект по созданию наиболее крупного в мире рентгеновского лазера. В этом международном проекте, помимо Германии, принимает участие Франция и Россия. Для создания первой ступени проекта «XFEL» нужно было затратить около 850 млн. евро, а общая стоимость проекта составляет 1,08 млрд. евро.

Работы по созданию системы XFEL на том же предприятии DESY, где уже работает установка FLASH, были начаты в 2007. До 2013 г. должны быть введены в эксплуатацию шесть из десяти предусмотренных проектом измерительных площадок. Одно из приоритетных направлений в использовании Гамбургского лазера – разработка новых веществ и медикаментов на основе изучения белков.

Германия обеспечивает осуществление 50% проекта, остальные 50% — его двенадцать международных участников. «Система XFEL обладает колоссальными возможностями для проведения различных исследований», — отметил российский министр науки Андрей Фурсенко. «Это превосходная возможность для расширения нашего сотрудничества», — подчеркнула французский министр науки Валери Пекрессе.

«Современный проект XFEL — это веха в истории DESY», — заявил председатель совета директоров DESY профессор Альбрехт Вагнер. Тоннельная система XFEL проходит на глубине от 6 до 38 метров от Гамбург-Беренфельд (территория принадлежит DESY) до Экспериментального центра в Шенефельде (земля Шлезвиг-Гольштейн).

Российская сторона имеет существенные теоретические и практические заделы в создании систем генерации синхротронного излучения в периодических магнитных структурах. Особый интерес участников совещания вызвал, в частности, российский проект ЛСЭ рекуператорного типа, который, в отличие от германского, имеет существенно меньшую стоимость.

Рис. 4. Принцип рентгеновской съемки с помощью XFEL

Но нужно справедливости ради отметить, что гамбургский лазер обладает чрезвычайно малой длительностью импульса – около 20 фемтосекунд, что в 3500 меньше, чем у новосибирского аналога. Уже на первом этапе реализации, стартующем в 2013 году, установка XFEL позволит определять молекулярную структуру исследуемого вещества с разрешением 0,1 нм, а на последующих – с разрешением 0,03 нм. Причем диапазон решаемых задач, как утверждают разработчики, включит в себя исследование кинетики химических реакций в фемтосекундном масштабе, изучение структуры биомолекул, которые не нужно будет кристаллизовать, в отличие от методики рентгеноструктурного анализа.

Это позволит осуществить переход от усредненной во времени «фотосъемки» к «киносъемке» с фемтосекундными вспышками. Что, в свою очередь, открывает огромные возможности для изучения химических и физических процессов в молекулярных реакциях, а также при создании новых материалов и наноструктур. Будем надеяться, что проекты рентгеновских лазеров в мировом масштабе помогут в развитии науки будущего!

Свидиненко Юрий

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.8 (30 votes)


Anonymous аватар

Спасибо, очень интересная информация. И особенно перспектива.

Anonymous аватар

Мичуринец- все бы взламывать, дров наломать – потом трудно чинить будет… с природой надо знаниями… аккуратно :-)