Лазер в три километра (7 фото)

Тоннелепроходческая машина, используемая при прокладке ускорителя для лазера

Тоннелепроходческая машина, используемая при прокладке ускорителя для лазера

Россия с европейскими партнерами продолжает создавать самый мощный в мире разер

В начале октября в Московском физико-техническом институте прошел круглый стол, посвященный строительству XFEL — самого крупного в мире рентгеновского лазера (разера) на свободных электронах. Общая стоимость установки достигает 1,2 миллиарда евро. Доля финансового участия России в международной программе — 27 процентов. С российской стороны проект курирует «Курчатовский институт». 

XFEL (X-ray Free Electron Laser — рентгеновский лазер на свободных электронах) — международная программа по созданию крупнейшей в мире установки для наблюдения за ходом химических реакций. По словам участников проекта, XFEL позволит проследить за сложными биохимическими процессами в клетках и приведет к быстрому прогрессу в понимании механизмов ряда заболеваний, например болезни Паркинсона.

Фактически новый лазер представляет собой уникальный инструмент, позволяющий в режиме онлайн следить за изменениями в трехмерной структуре крупных биомолекул.

Всего в строительстве XFEL занято около 250 человек из 12 стран-участниц проекта. Начатые в 2009-м работы планируется завершить в следующем году.

Еще через год рентгеновский лазер будет полностью готов к первым экспериментам. Самая крупная доля финансового участия у Германии — 58 процентов. На втором месте — Россия. Вклад остальных стран — Дании, Франции, Греции, Венгрии, Италии, Польши, Словакии, Испании, Швеции и Швейцарии — в диапазоне от одного до трех процентов.

Квоты на использование лазера определяются пропорционально финансированию. Однако, по словам ученых, заявки на проведение наблюдений могут подавать все желающие. Решение о возможности тех или иных экспериментов будут принимать эксперты, руководствуясь актуальностью конкретных научных задач.

Географическое расположение разера

Географическое расположение разера

Общая длина туннеля лазера — 3,4 километра. Туннель начинается от самого крупного в Германии центра физики частиц DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron — Немецкий электронный синхротрон), расположенного в Гамбурге, и доходит до границы города Шенефельд земли Шлезвиг-Гольштейн. Вся система туннелей лазера расположена под землей на глубине от шести до 38 метров.

Для разгона электронов будет использоваться сверхпроводящий линейный ускоритель общей протяженностью 2,1 километра с расчетной энергией от 17,5 до 20 гигаэлектронвольт. По всей длине разгонной части ускорителя, равной 1,7 километра, установят 101 модуль, состоящий из специальных сверхпроводящих камер.

Визуализация подземных туннелей XFEL

Визуализация подземных туннелей XFEL

Частицы, поступающие в ускоритель, выбиваются из металла при помощи специального лазера. Источник излучения должен удовлетворять специфическим условиям, так как самые незначительные отклонения в первоначальном движении электронов могут привести к получению на выходе пучка недостаточно высокого качества.

Сверхпроводящий ускорительный элемент из ниобия

Сверхпроводящий ускорительный элемент из ниобия

На первых 1,7 километра электроны будут ускоряться в специальных резонаторах, в которых разгон частиц осуществляется при помощи микроволнового излучения до скоростей, сравнимых со скоростью света. Сами резонаторы изготовлены из материала с ниобием, переходящим в сверхпроводящее состояние при охлаждении до температуры минус 271 градус Цельсия. Это позволяет почти без потерь расходовать электрическую энергию на ускорение частиц и формировать достаточно тонкий пучок электронов. В качестве охладителя планируется использовать жидкий гелий.

Принципиальная схема работы лазера на свободных электронах

Принципиальная схема работы лазера на свободных электронах

Электроны проходят через магниты ондулятора, в результате чего происходит генерация когерентного синхротронного излучения. Его фокусировка происходит в электронной ловушке и луч лазера направляется на мишень.

Ускоренные электроны двигаются в так называемых ондуляторах (некоторые технологические решения для которых предложили ученые из Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске) — системы магнитов, заставляющей заряженные частицы излучать рентгеновские кванты со все большей интенсивностью. Скорость фотонов выше скорости электронов — распространение излучения опережает электроны, и последние, попадая в поле излучения первых, формируют в полости ондулятора конфигурацию из множества тонких дисков. Главная особенность такой системы — синхронное излучение, образующее короткие и интенсивные рентгеновские вспышки со свойствами лазерного пучка.

Ускорение электронов в резонаторе микроволновым излучением

Ускорение электронов в резонаторе микроволновым излучением

Формирование электронных дисков и излучения от них составляет содержание так называемой самоусиливающейся спонтанной эмиссии. Для получения качественных пучков на XFEL планируется использовать ондуляторы длиной более ста метров.

В зависимости от потребностей эксперимента, параметры лазера XFEL могут настраиваться с помощью различных оптических инструментов, таких как, например, зеркала, решетки, щели или преломляющие кристаллы. Эти элементы устанавливаются в базовые станции на выходе пучка и взаимодействуют с ним. Данные такого взаимодействия фиксируются датчиками и анализируются компьютером. Сами исследователи будут управлять и следить за ходом эксперимента из диспетчерских кабин.

Монтаж ондулятора

Монтаж ондулятора

После ускорительной части 3,4-километрового туннеля лазер сможет генерировать около 27 тысяч рентгеновских вспышек с длиной волны от 0,05 до 6 нанометров в секунду и продолжительностью до ста фемтосекунд (менее одной триллионной доли секунды).

Это сделает установку самой мощной в мире среди всех рентгеновских лазеров: столь короткие импульсы позволят исследовать трехмерную структуру крупных биомолекул и их взаимодействия с точностью, недоступной ранее. Аналогичные лазеры работают в США и Японии, но их возможности на порядки ниже европейских.

Другие статьи:
Интернет журнал НЛО МИР

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

*

code

Редакция рекомендует

close
x