Лазер в три километра

Россия с европейскими партнерами продолжает создавать самый мощный в мире разер

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

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». «Лента.ру» посетила пресс-конференцию, проведенную после круглого стола по XFEL, и узнала, как этот лазер устроен.

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.

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.

Общая длина туннеля лазера — 3,4 километра. Туннель начинается от самого крупного в Германии центра физики частиц DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron — Немецкий электронный синхротрон), расположенного в Гамбурге, и доходит до границы города Шенефельд земли Шлезвиг-Гольштейн. Вся система туннелей лазера расположена под землей на глубине от шести до 38 метров.

Для разгона электронов будет использоваться сверхпроводящий линейный ускоритель общей протяженностью 2,1 километра с расчетной энергией от 17,5 до 20 гигаэлектронвольт. По всей длине разгонной части ускорителя, равной 1,7 километра, установят 101 модуль, состоящий из специальных сверхпроводящих камер.

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.

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.

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.

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.

После ускорительной части 3,4-километрового туннеля лазер сможет генерировать около 27 тысяч рентгеновских вспышек с длиной волны от 0,05 до 6 нанометров 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.

Обсудить
Наука и техника
 — 
00:01 Сегодня
A cold water immersion experiment at Dachau concentration camp presided over by Professor Ernst Holzlöhner (left) and Dr. Sigmund Rascher (right). The subject is wearing an experimental Luftwaffe garment

Птичку жалко

Почему нацисты защищали права животных и уничтожали людей
Приоткрытый авангард
Почему выдающееся искусство XX века нужно искать в провинции
Талантливый мистер Демме
Фильмы, которыми запомнится режиссер Джонатан Демме
Искатели растерянных женщин
Кино недели с Денисом Рузаевым: от «Затерянного города Z» до «Идеаля»
Придумали тоже
Gorillaz и другие группы, которых не было
Брить или не брить
Поклонницы натуральной красоты массово отказываются от эпиляции
CULVER CITY, CA - NOVEMBER 12: Founder, Snapchat Evan Spiegel (L) and model Miranda Kerr attend the Fifth Annual Baby2Baby Gala, Presented By John Paul Mitchell Systems at 3LABS on November 12, 2016 in Culver City, California. (Photo by Tommaso Boddi/Getty Images for Baby2Baby)Триумф ботана
Самый престижный жених современности — IT-магнат
«Американцы — радостный народ»
Рассказ москвича, переехавшего в Сан-Франциско
Мама — марихуана
Зачем американки совмещают употребление наркотиков с воспитанием детей
Очеловеченный фургон
Длительный тест стильно-пассажирского VW Multivan
ОСАГО надо?
Автомобильные аварии, превращенные в искусство
Самые крутые локомобили
Машины, которые ездят по рельсам
Самые выдающиеся французские машины
10 автомобилей из Франции, ставших культовыми
Москва за нами
Какие квартиры можно купить в пределах МКАД по цене до трех миллионов рублей
Зависли на хате
Украинцы придумали дом, который может обойтись без российского газа
Чудеса селекции
Что получится, если скрестить квартиру с дачей: опыт россиян
Сносное настроение
Демонтаж жилых домов в Москве: что нужно знать
Вышка светит
Как выглядит частный особняк, побивший мировой рекорд этажности