В Гамбурге состоялась церемония открытия Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) — мощнейшего в мире источника рентгеновского излучения. Его строительство началось в 2009 году, а в начале мая 2017 года на нем сгенерировали первый пучок рентгеновского излучения. Светимость XFEL в среднем в 10 тысяч раз выше, чем у синхротронов — других мощных источников рентгеновских лучей. Основное предназначение установки — исследование атомарной структуры материалов, а также быстрых реакций.

Благодаря малой длине волны рентгеновского излучения оно активно используется для исследования атомарной структуры вещества. Если облучить кристаллическое тело таки излучением, оно будет рассеиваться на его атомах, и формировать дифракционную картину, позволяющую узнать расположение атомов в кристалле. Также с помощью рентгена можно проследить и за динамическими процессами, например за изменениями молекул в ходе химических реакций или распространением ударной волны.

Часто для этого используются лабораторные установки, но для некоторых исследований нужны более мощные источники излучения. Одни из таких источников — синхротроны. В них пучок электронов разгоняется в круговом ускорителе с диаметром в несколько сотен метров мощными магнитами до околосветовых скоростей, из-за чего происходит синхротронное излучение.

Схема работы ондулятора. Wikimedia Commons

XFEL тоже является ускорителем частиц, но линейным, а не круговым, в отличие от синхротронов. В нем траектория пучков тоже искривляется, но другим образом. Сначала электроны разгоняются сверхпроводящим линейным ускорителем, а затем попадают в ондуляторы. Они состоят из множества магнитов, причем каждый следующий магнит имеет противоположную предыдущему полярность. За счет этого пучок двигается через ондулятор не по прямой, а по синусоиде, и начинает испускать синхротронное излучение. Из-за взаимодействия между этим излучением и пучком электронов, рентгеновское излучение получается не хаотичным, а когерентным.

Установка общей длиной 3,4 километра позволит получать импульсы продолжительностью 100 фемтосекунд с длиной волны излучения от сотых долей до единиц нанометров. Благодаря таким характеристикам на ней можно будет изучать быстрые процессы на атомарном уровне, такие как химические реакции.

Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах — крайне дорогой международный научный проект. Общая стоимость постройки и ввода в эксплуатацию оценивается в 1,22 миллиарда евро в ценах 2005 года. В проекте участвуют 11 стран. Основную часть расходов взяли на себя Германия и Россия, предоставившие проекту 58 и 27 процентов от общего объема расходов соответственно.

В прошлом году короткие рентгеновские импульсы позволили пронаблюдать за изменениями, происходящими в возбужденной молекуле йода с очень большим высоким временным и пространственным разрешением — порядка 30 фемтосекунд и 0,3 ангстрема.

Аватор: Григорий Копиев

EuropeanXFEL / YouTube