Инженеры Европейского лазера на свободных электронах запустили (European-XFEL) первые электроны в охлажденный основной ускорительный комплекс прибора. На протяжении следующих недель и месяцев прибор секция-за-секцией будет вводиться в эксплуатацию. По своим характеристикам XFEL должен превзойти синхротронные источники излучения. Основными его применениями станут исследования сверхбыстрых химических реакций, анализ структуры белков и других наноразмерных объектов. Проект реализуется 11 странами, основной вклад среди которых принадлежит Германии и России. Об этом сообщает пресс-релиз организации.

Лазеры на свободных электронах — сверхъяркие источники рентгеновского излучения, использующиеся для анализа атомарной структуры вещества. Это возможно благодаря очень малой длине волны рентгеновскго излучения — сопоставимой или меньшей размера атомов. Из-за этого кристалл с упорядоченно расположенными атомами выступает для рентгеновского луча в роли дифракционной решетки: по характерной «пятнистой» картине рассеяния рентгена можно с большой точностью восстановить расположение атомов в веществе. 

Первыми источниками рентгеновского излучения были вакуумные трубки, в которых электроны с катода ускорялись электрическим полем и врезались в анод. При этом излучение возникало из-за движения электронов с ускорением и из-за электронных переходов в анодном материале. Следующим шагом в развитии источников рентгеновского излучения стали кольцевые ускорители элементарных частиц, синхротроны. В них разогнанные до релятивистских скоростей электроны также движутся с ускорением — центростремительным — что заставляет их испускать излучение. При этом, его яркость (количество фотонов) гораздо выше, чем в рентгеновских трубках. 

Первые секции E-XFEL. Четыре желтые трубы — первые ускорительные модули, всего их 96. XFEL

В отличие от синхротронов, лазеры на свободных электронах — линейные ускорители. Излучение в них генерируется тогда, когда пучок релятивистских электронов проходит через ондулятор: сборку из пар магнитов с чередующимися полярностями. Заряженные частицы движутся по синусоиде, отклоняясь то в одну, то в другую сторону от своей траектории и испуская при этом синхротронное излучение. Если излучение оказывается достаточно интенсивным, то электроны начинают с ним взаимодействовать и хаотичное рентгеновское свечение превращается в когерентный лазерный пучок. 

Схема E-XFEL. Kartik Ayyer et al. / Structural Dynamics, 2015

По расчетам физиков, пиковая яркость лазерного луча European-XFEL окажется в миллиард раз больше, чем у современных синхротронов, (в среднем установка будет в 10 тысяч раз ярче). Для достижения такой яркости потребовалось создать 2,1-километровый ускорительный комплекс, состоящий из нескольких ступеней. На первом этапе электроны «впрыскиваются» в установку специальным инжектором (10 импульсов по 2700 сгустков электронов каждую секунду). Затем они попадают в основной ускоритель, состоящий из 96 модулей и почти 800 сверхпроводящих ниобиевых резонаторов, где электроны разгоняются до 17,5 гигаэлектронвольт. Лишь затем частицы попадают в ондуляторы.

Во время первого пуска электронов были задействованы инжектор и первые четыре ускорительных модуля. Электроны, вылетевшие из инжектора, пролетели первый ускорительный сегмент, сжимающую пучок секцию и завершили свой путь через 150 метров. Тесты стали возможными только благодаря полному охлаждению установки жидким гелием до двух кельвинов. Ожидается, что научные эксперименты на лазере начнутся в середине 2017 года.

Лазеры на свободных электронах используются для исследования быстрых реакций на атомарном уровне. К примеру, с их помощью физики засняли ранее взрывы нанометровых ксеноновых кластеров, разрыв связи в молекуле иода и циклогексадиена, а также движение ударной волны в алмазе.

Автор: Владимир Королёв