Европейский лазер на свободных электронах (European XFEL) сгенерировал свой первый пучок когерентного рентгеновского излучения. Согласно проекту, установка станет самым ярким источником рентгена, в десятки тысяч раз превзойдя светимость синхротронов. Официально XFEL начнет работу в сентябре, его основное предназначение — исследование атомарной и молекулярной структуры материалов (в том числе биологических). Об этом сообщает пресс-релиз организации.

Длина волны рентгеновского излучения в сотни раз меньше, чем у видимого света — она сопоставима или гораздо меньше размеров атомов. Это позволяет активно использовать его для изучения атомарной структуры кристаллов. Есть несколько видов источников рентгеновского излучения. Впервые рентген был обнаружен в катодных трубках — приборах, в которых электроны срываются с катода, ускоряются электрическим полем и врезаются в анод, заставляя последний генерировать излучение за счет электронных переходов в атомах. Подобные источники используются, например, в рентгеновских аппаратах в поликлиниках.

Более интенсивное излучение генерируется на ускорителях заряженных частиц. Согласно законам электродинамики, заряженная частица, которая движется с ускорением, излучает фотоны. Если при этом кинетическая энергия (и скорость) частицы велика, то большой оказывается и энергия фотонов. Одними из самых мощных источников рентгеновского излучения являются синхротроны. В них электроны движутся с околосветовыми скоростями по кругу, диаметром в сотни метров и испытывают центростремительное ускорение благодаря поворотным магнитам. Яркость синхротронов на несколько порядков выше, чем у катодных трубок.

Схема синхротрона Soleil (недалеко от Парижа). Wikimedia Commons

Следующий шаг развития рентгеновских источников — лазеры на свободных электронах. В отличие от синхротронов, эти установки линейные. Электроны в них ускоряются сверхпроводящими резонаторами и направляются в ондуляторную линию. Она состоит из огромного числа магнитов с чередующейся полярностью — они отклоняют электроны от изначальной траектории то влево, то вправо. На каждом таком повороте испускаются кванты рентгеновского излучения.

Схема работы ондулятора. Wikimedia Commons

В Европейском лазере на свободных электронах количество таких магнитов превышает 17 тысяч. Прежде чем попасть в ондлятор, электрон пролетает через 2,1-километровую ускорительную линию. Общая его длина составляет 3,4 километра, прибор располагается неподалеку от Гамбурга (Германия). Основная часть лазера находится под землей. Это крупнейший лазер на свободных электронах из существующих.

Фрагмент ускорительного комплекса European XFEL. European XFEL / Heiner Müller-Elsner

В рамках первого пуска установки ученым удалось получить лазерные пучки с длиной волны 0,8 нанометра. Частота генерации коротких импульсов составляла один герц — один импульс в секунду. Когда установка выйдет на проектную мощность, за одну секунду будет генерироваться 27 тысяч таких 100-фемтосекундных импульсов. Ожидается, что с ее помощью можно будет заснять «видео» того, как изменяются молекулы в ходе химических реакций. К примеру, с помощью предшественников E-XFEL физики засняли взрывы нанометровых ксеноновых кластеров, разрыв связи в молекуле иода и циклогексадиена, а также движение ударной волны в алмазе.

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

European XFEL — не первый лазер на свободных электронах. Впервые подобный лазер был создан в 1971 году в Стенфорде. Частота излучения таких систем может варьироваться от рентгеновской до инфракрасной. Самый яркий рентгеновский лазер на свободных электронах находится на данный момент в национальной ускорительной лаборатории SLAC (Стенфорд) — LINAC. Длина волны его излучения может быть установлена в пределах от 0,13 до 6,2 нанометров.

Автор: Владимир Королёв