В Германии в рамках проекта European XFEL строится самый крупный в мире рентгеновский лазер. Россия — второй после Германии (у которой 54%) участник проекта. Нашей стране, которую представляет "Роснано", принадлежит 23% объема финансирования и пропорциональная доля времени использования установки. Другие 12 стран-участников вносят от 1 до 3,5% стоимости проекта, которая приближается к 1,2 млрд евро.
За названием "рентгеновский лазер на свободных электронах" скрыт утилитарный смысл, который можно определить словами "рентгеновский микроскоп".
European XFEL представляет собой установку длиной более 3,4 км — столько необходимо, чтобы до нужной скорости разогнать электроны. Она включает в себя линейный ускоритель электронов, сам рентгеновский лазер и здания лабораторий.
Эволюция микроскопа
Более 300 лет с изобретения микроскопа для изучения микрообъектов использовали видимый свет, а в качестве детектора — глаз. Так, например, удалось открыть клеточное строение биологических организмов. В середине XIX века немецкий инженер Карл Цейс и профессор Эрнст Аббе показали, что разрешающая способность светового микроскопа не беспредельна.
Главное ограничение — длина волны используемого излучения. Для видимого света 380-740 нм, в то время как условный размер атома составляет десятые доли нанометра. Сегодня оптические микроскопы позволяют наблюдать детали в сотни нанометров, что близко к физическому пределу. Специальные технологии позволяют добиться разрешения в десятки нанометров, это даже за пределами дифракционных ограничений, но все равно мало для изучения всех нанообъектов.
Современный просвечивающий электронный микроскоп
Фото: Carl Zeiss
Когда в начале XX века предположения о волновых свойствах частиц подтвердились экспериментально, стало ясно, что в микроскопе свет можно заменить потоком электронов. Электрон может иметь длину волны в десять раз меньшую, чем диаметр атома. А пучком ускоренных электронов с помощью магнитного поля можно оперировать как светом — создавать "линзы" и другие "оптические" элементы.
Другая идея для изучения нанообъектов — использовать вместо оптического излучения рентгеновское. Фотоны рентгеновского спектра имеют энергию от 100 эВ (электронвольт) до 250 тыс. эВ, что соответствует излучению с длиной волны от 0,005 до 10 нанометров — это позволяет приблизиться к "рассмотрению" отдельных атомов и даже заглянуть к ним внутрь.
Но с рентгеновским излучением иметь дело непросто. Рентгеновские лучи плохо поддаются фокусировке обычными линзами и не отклоняются магнитным полем. Сегодня рентгеновские микроскопы, принципы которых похожи на работу оптических, используют излучение синхротронов и позволяют увидеть объекты размером в несколько нанометров.
Быстрое кино про очень маленьких
Идея использования рентгеновского излучения эволюционировала в идею создания рентгеновских лазеров. Комплекс, который создают в Германии — это самый крупный в мире рентгеновский лазер. Порожденный им рентгеновский луч "просвечивает" изучаемый образец сверхкороткими вспышками, и за те мгновения, пока образец еще не разрушен излучением, ученые могут "поймать" дифракционную картину объекта, отражающую его во всех деталях.
Создание такой установки требует разрешения очень сложных противоречий. Длина волны излучения должна быть сопоставима с размером нанообъекта, и энергии этой волны должно хватить, чтобы принимающая аппаратура зафиксировала результат. Необходимо обеспечить малое время экспонирования, так как интенсивное излучение просто разрушит объект, если будет долгим. Наконец, необходимо добиться высокой пространственной когерентности излучения, чтобы избежать фазовых искажений. Для этого проектировщики XFEL вынуждены были использовать не круговой циклический ускоритель а линейный.
Он и есть главная часть лазера, длина ускорителя-- 2,1 км. Его строительство ведется на глубине от 6 до 38 м. Объект готов на 80%. Модули ускорителя, всего их 101, будут охлаждаться жидким гелием практически до абсолютного нуля ради обеспечения сверхпроводимости в установке, ускоряющей электроны до релятивистских скоростей и энергии около 17,5 ГэВ (гигаэлектронвольт, 109 эВ). В будущем планируется увеличить энергию до 20 ГэВ. Чем больше энергия электронов, тем меньше длина волны излучения на выходе лазера, а значит, выше разрешение микроскопа.
Рентгеновское излучение возникает вследствие торможения разогнанных заряженных частиц. При торможении энергия электронов частично превращается в рентгеновские фотоны. В лазере XFEL после ускорительного блока электроны попадают в систему, где их энергия будет преобразована в рентгеновское излучение с помощью ондуляторов. Это сложная совокупность магнитов, которая заставляет электроны двигаться по искривленной траектории. Тут-то они и начинают излучать фотоны в рентгеновском диапазоне. Это позволяет получать около 27 тыс. рентгеновских "вспышек" в секунду. То есть система позволит "снимать фильмы" с участием объектов в единицы нанометров с частотой 27 тыс. кадров в секунду.
Перспективы использования знаний, полученных таким образом, грандиозны.