Среди множества разработок лазеров на свободных электронах, с которыми ученые связывают возможность прогресса в ряде очень важных научных и практических областей, особое место занимает уникальный проект, который совместно реализуют несколько стран.

В Гамбурге в научном центре DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) началось строительство одного из самых мощных в мире рентгеновских лазеров на свободных электронах, который может и должен стать изумительным инструментом для нанотехнологий. В идее создания и разработке этого лазера немалая роль принадлежит российским ученым.

Наш сайт уже обращался к этой теме несколько месяцев назад в заметке «Российские ученые изобрели уникальный лазер, способный победить рак». Возвращаясь к теме, мы поставили две основных задачи: озвучить прогресс и показать читателю некоторые научные и технические детали одного из самых крупных научных проектов в Европе.

Когда проект XFEL, объединивший физиков многих стран, будет завершен, в Германии, между Гамбургом и Землей Шлезвиг-Гольштейн появится новый научный центр, откроющий совершенно новые возможности для экспериментаторов в различных областях науки. Ученые смогут заснять протекание химических реакций, точно определить атомную структуру молекул, «схватить» трехмерные детали нанокосмоса. Такой лазер позволит решать задачи, которые до сих пор были недоступны, например, исследовать структуру белков, что поможет открыть огромные возможности в медицине, генетике, биологии – в частности, подходы к новым технологиям создания новых лекарств, причины неизлечимых пока недугов. Лазер на свободных электронах на сегодня, возможно, идеальный инструмент для нанотехнологий. Он спосоден регистрировать процессы, которые происходят в наномире, на атомарном уровне. Это открывает огромные возможности для изучения химических и физических процессов в молекулах, а также при создании новых материалов и наноструктур

Аббревиатура XFEL обозначает рентгеновский лазер на свободных электронах (X-ray free-electron laser), то есть устройство, в котором свободные электроны разгоняются до высоких энергий и излучают мощные импульсы излучения в рентгеновском спектре длин волн.

Рентгеновский лазер на свободных электронах длиной 3,4 км, который по-видимому будет самым мощным в мире, создают в Гамбурге, в научном центре DESY и его окрестностях. Первые конструкционные работы начались недавно, летом 2008 года, а закончить проект собираются к 2012 – 2013 году.

Пару лет назад 13 стран (Франция, Дания, Германия, Греция, Италия, Польша, Испания, Швеция, Швейцария, Россия, Венгрия, Великобритания и Китай) подписали меморандум о намерениях участвовать в подготовительной фазе проекта. В качестве наблюдателей в проекте XFEL участвуют также Нидерланды и Европейское Сообщество. Стоимость создания уникального лазера составляет приблизительно один миллиард евро. Основное финансирование приняли на себя германские участники – порядка 50% Федеральное Министерство Образования и Науки, 10% – местные органы власти, а оставшиеся 40% ожидаются от иностранных партнеров. В большинстве своем все участники проекта выполнили свои материальные обязательства, что и позволило успешно начать и продвигать проект XFEL.

Временная шкала разработок источников рентгеновского излучения

Технические характеристики XFEL лазера:

Для создания лазера пучок электронов должен быть разогнан до субсветовых скоростей. Далее, этот пучок электронов пропускают по определенной искривленной траектории через осциллятор, который представляет собой набор магнитов с переменными полюсами, образующих поперечное магнитное поле на пути пучка внутри лазерного резонатора. Чаще всего, такой осциллятор называют ондулятором, где эти электроны излучают и часть своей энергии передают в энергию электромагнитного излучения. Поскольку пучок излученных фотонов и пучок высокоэнергетических электронов находятся в фазе, их поля когерентны. Соответственно, длина волны излучения может быть настроена путем изменения энергии электронного пучка или параметров магнитного поля в ондуляторе.

Электромагнитные поля разгоняют электроны в сверхпроводящих резонаторах

Новый рентгеновский лазер имеет уникальные характеристики, которые до сих пор не удавалось получить никому:

• В пределе, спектральная яркость излучения пучка нового лазера в миллион раз а в среднем – в 10 тысяч раз выше, чем у большинства современных источников рентгеновского излучения.
• Временное разрешение на несколько порядков выше, чем у известных на сегодня источников излучения: длительность импульса рентгеновского лазера имеет всего порядка 100 фемтосекунд. Это приблизительно то самое время, которое потребно химическим соединениям для формирования и группировки их молекул.
• Длина волны рентгеновского лазера настолько коротка, что даже детали атомной структуры становятся различимыми. Она может варьироваться в диапазоне 0,085 – 6 нанометров, что соответствует энергии от 10 до 20 миллиардов электрогнвольт.
• Пучок излучения рентгеновского излучения имеет все свойства лазерного пучка, то есть он – когерентен. Это означает возможность регистрации голографических изображений на атомарном уровне.

Новый гигантский лазер создается на базе ускорителя электронов, который разгонит их до скоростей, близких к световой. Поэтому общая длина сооружения, которое имеет несколько подземных этажей на глубине 6–38 м достигает почти 3,4 км, одна только длина «разгонного» туннеля и то уже составит 2,1 км.

Экспериментальная лаборатория (то самое место куда будут приходить пучки для измерений и экспериментов) площадью 4500 квадратных метров по плану будет включать в себя 10 измерительных стендов для пяти независимых лазерных пучков (см. схему ниже).

Все три площадки лазерного центра расположены в землях Гамбург и Шлезвиг-Гольштейн. Туннель линейного ускорителя начинается на территории центра DESY в самом Гамбурге. Экспериментальные работы будут проводиться на подземной площадке, расположенной в южной части г. Шенефельд (пригород Гамбурга).

Схема будущего лазера (не в масштабе, разумеется) при виде сверху и сбоку. Красные и желтые линии показывают пути распространения электронных и фотонных пучков (соответственно)

Пионерные технологии:

Планируемый лазер будет отличаться от аналогов во многом. Эти отличия – плод творчества физиков и лазерщиков нескольких стран – участников проекта. Уникальными элементами лазера будут, несомненно, и ускоритель электронов и ондулятор. Нельзя переоценить вклад российских физиков. В частности, для эффективной генерации когерентного излучения в XFEL реализованы идеи российских ученых из Новосибирского Института ядерной физики по подбору параметров магнитной системы ондулятора для существенного увеличения мощности излучения и рекуперации пучков электронов для снижения энергетических затрат.

Российские ученые, участвуя в проекте XFEL, получают первоклассную международную площадку для внедрения своих разработок, в частности новых источников синхротронного излучения, доступ к самым передовым технологиям других европейских стран и возможность создавать новые современные технологии, в том числе и нанотехнологии.

Научная конкуренция:

Стоит заметить, что в настоящее время происходит некоторое соревнование в области стрительства мощных рентгеновских лазеров на свободных электронах, в котором участвуют, помимо интернациональной команды в центре DESY, несколько сильных групп в Японии и США. Основные конкуренты, по всей видимости, проект японского научно-исследовательского института RIKEN и американский проект Linac Coherent Light Source , базирующийся на линейном ускорителе Стенфордского университета (Калифорния).

Скорее всего, конкуренты запустят свои установки быстрее, чем интернациональная команда в научном центре DESY. Японский проект поддержан мощью огромного научного кластера, который проводит исследования во многих областях науки, включая физику, химию, биологию, медицину, машиностроение и компьютерное дело. RIKEN практически полностью финансируется правительством Японии. Американский проект, который опережает конкурентов по срокам, предположительно и запустит первый сверхмощный рентгеновский лазер на свободных электронах, работающий в штатном режиме, что запланировано уже в этом году.

Евгений Биргер