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

Разумная роскошь

Больше не нужно выбирать между красотой и функциональностью
«Большевистская сволочь хотела грабить и держаться у власти»
Почему советские люди беспомощны и слабовольны
Без бумажки ты...
Почему российским автолюбителям придется пройтись по судам
Вас здесь не лежало
За что стоит воевать в российских больницах
Ход конем: Ксения Собчак идет в президенты
Она устала от Зюганова с Жириновским и пообещала быть против всех
«Ее повел на костер собственный брат»
В отрезанной от мира деревне устроили охоту на ведьм
«Бабушка спрашивает, заставляют ли мусульмане сменить веру»
История москвички, которая переехала в Объединенные Арабские Эмираты
Доброе утро, Вьетнам!
Еще одна азиатская страна сошла с ума по караоке
Жируха
В лондонской канализации нашли мерзкое нечто
Дайте грязи: конкуренты вседорожному хэтчу Kia Rio X-Line
Renault Sandero Stepway, Lada Vesta SW Cross и другие приподнятые бюджетники
Как через Instagram продают машины за миллионы
Соцсети, молодеющие покупатели и другие причуды современного рынка суперкаров
Семиместность не порок
Как из пятиместной Mazda CX-5 получился семиместный кроссовер CX-9
Тест: зачем машине эта штуковина?
Попробуйте угадать, зачем инженеры это придумали
Братва помнит
Чем украшают могилы криминальных авторитетов
Интим предлагать
Секс стал способом решения квартирного вопроса
«Я тупо решила, что теперь ем одну гречку»
Одинокая мать год сидела на крупе, чтобы накопить на квартиру
Раз, два, взяли!
Жилье в Крыму пока еще можно купить за копейки