В Гамбурге (Германия) были зафиксированы первые импульсы European X-ray Free Electron Laser (XFEL) — крупнейшей и мощнейшей установки такого типа в мировой практике протяженностью 3,4 километра. На текущем этапе длина волны излучения составляет 0,8 нм при частоте следования импульсов один раз в одну секунду. Данные испытания проводятся в рамках новейшей подготовительной программы перед официальным запуском всего объекта, запланированным на сентябрь текущего года. При достижении проектной мощности установка обеспечит частоту генерации в 27 тысяч импульсов в секунду, что значительно превышает показатели самого быстрого существующего рентгеновского лазера (120 импульсов в секунду). Технологическая основа установки базируется на принципе работы синхротрона — одного из видов ускорителей частиц.

Ускоритель лазера разгоняет электроны до релятивистских скоростей при помощи череды электромагнитных устройств, в данном случае интенсивность полученного пучка электронов в миллиард раз больше интенсивности, получаемой при помощи большинства других синхротронов. Приобретенная электронами энергия при помощи специальных устройств преобразовывается в очень яркое рентгеновское излучение, позволяющее получать высококачественные изображения с атомарной разрешающей способностью.

Ключевым компонентом лазера XFEL является линейный ускоритель, длиной 2.1 километра, оснащенный электромагнитами со сверхпроводящими обмотками. В недрах этого ускорителя импульс электронов ускоряется почти до скорости света, приобретая очень высокую энергию, прежде чем попасть в фотонный туннель, длиной 210 метров, в котором находится масса устройств, вырабатывающих рентгеновское излучение. Эти устройства в общей сложности состоят из 17 290 магнитов-ондуляторов с переменными полюсами, располагающимися ниже и выше потока электронов. Поле этих магнитов отклоняет электроны от прямой траектории движения и электроны, теряя энергию “на поворотах”, испускают высокоэнергетическое рентгеновское излучение строго определенной частоты.

В результате работы установки каждый импульс электронов производит чрезвычайно яркий импульс рентгеновского излучения. Этот импульс при помощи специальных рентгеновских зеркал будет расщеплен на несколько, подающихся в залы, в помещениях которых производятся научные эксперименты и исследования. Таким образом, во время работы лазера XFEL можно будет параллельно проводить сразу несколько экспериментов.

Поскольку лазер XFEL излучает рентген с длиной волны, сопоставимой с диаметром атома, разрешающая способность получаемых при его помощи снимков позволит ученым глубже проникнуть в тайны “микро- и нанокосмоса”. Кроме этого, лазер XFEL может использоваться для проведения съемки быстротекущих химических и физических процессов, для моделирования условий, с которыми людям придется сталкиваться при длительных путешествиях в космосе и пребывании на поверхности других планет.

Для любознательных

В мире разработкой мощнейших рентгеновских лазеров занимаются несколько ведущих научных центров:

1. Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European XFEL) — международный проект, расположенный в Германии. В его создании принимала участие Россия, предоставив 27% от общей суммы финансирования. Лазер предназначен для исследований в области физики, химии, материаловедения, биологии и нанотехнологий. Он генерирует синхротронное излучение высокой интенсивности, что позволяет проводить исследования с беспрецедентной точностью.
2. DESY (Немецкий электронный синхротрон) — исследовательский центр, который является одним из главных участников проекта European XFEL.

В России также ведутся активные разработки в этой области:

1. Курчатовский институт — один из ведущих научных центров в России, который планирует создание аналогичной системы к 2024 году. Основная цель — развитие технологий и проведение исследований в области медицины, материаловедения и биологии.
2. Институт физики высоких энергий (Протвино) — здесь также ведутся работы по созданию мощных лазерных установок для научных исследований.

Применение рентгеновских лазеров:

• Физика и материаловедение: исследование структуры материалов на атомном уровне.
• Химия: изучение химических реакций в реальном времени.
• Биология: исследование белков и клеточных структур, что помогает в понимании механизмов заболеваний.
• Медицина: разработка новых методов диагностики и лечения, например, в онкологии.
• Нанотехнологии: создание и исследование наноструктур с высокой точностью.

Эти лазерные установки позволяют получать ультракороткие импульсы рентгеновского излучения, что открывает новые возможности для научных исследований и практического применения.

Проект в Протвино