Фізичний прискорювач Світло з майбутнім - спектр науки
Фізика прискорювачів: світло з майбутнім
Як один із восьми гамбургських проектів на виставці в Ганновері, це викликало фурор півтора роки тому: випробувальний центр запланованого надпровідного прискорювача частинок Тесла (ТеВ енергетичний надпровідний лінійний прискорювач) у Дослідницькому центрі фізики Десі в Гамбурзі. Тесла розроблений як так званий лінійний колайдер: електрони та їх античастинки (позитрони) повинні досягати енергій від 500 до 800 мільярдів електрон-вольт на відстані близько п'ятнадцяти кілометрів, а потім лобово стикатися. Спочатку сподіваємося, що це дасть принципові нові знання про елементарні частинки та їх взаємодію.
У приміщенні для випробувань найважливіші компоненти перевіряються заздалегідь за значно коротший маршрут. Це, зокрема, приблизно 1 метр надпровідних резонаторів порожнини, виготовлених з високочистого ніобію, які рухають електрони з генерованими в них електромагнітними високочастотними полями. Близько 20 000 з них заплановано на Tesla.
Однак прискорювач також призначений для подальшої мети: Оператори хочуть використовувати високу якість електронного пучка для вільного електронного лазера (FEL), який працює в раніше недоступних спектральних діапазонах за межами УФ-області. З попередньою версією в приміщенні для випробувань у лютому 2000 року було створено спалахи лазерного світла у вакуумному ультрафіолеті на 109 нанометрів - світовий рекорд. Тим часом довжина хвилі може варіюватися від 80 до 180 нанометрів, використовуючи енергію електронів, а максимально можливе посилення (насичення) FEL було досягнуто на рівні 98,1 нанометрів у вересні 2001 року. Пікова потужність світлових імпульсів знаходиться в діапазоні гігават. З подальшим розширенням до 2004 року також слід розробити м’яку рентгенівську область до шести нанометрів.
Наразі прискорювачі генерували лише синхротронне випромінювання. Хоча воно часто є більш інтенсивним і короткохвильовим, ніж звичайне світло, воно не є когерентним: на відміну від лазерного випромінювання, фотони не коливаються в унісон і покривають безперервний енергетичний спектр, замість того, щоб усі мали однакову енергію. Синхротронне випромінювання зазвичай випромінюється електронами, які циркулюють у синхротроні по колу. Спочатку досить небажаний побічний продукт, високоенергетичне випромінювання знайшло зараз багато важливих застосувань - від виробництва тонких структур в мікроелектроніці до досліджень тривимірної структури молекул до медичних обстежень, таких як представлення коронарних судин.
З цієї причини рослини для власного покоління будувались давно. У найсучасніших джерелах синхротронного випромінювання, таких як Bessy II у Берліні або Європейському установці синхротронного випромінювання (ESRF) в Греноблі, вдалося збільшити яскравість (блиск) до 10000 разів. Для цього електрони витісняються на курс слалому за допомогою періодичних магнітних структур - так званих індуляторів. Потім вони направляють зв’язане електромагнітне випромінювання у напрямку польоту, довжина хвилі якого залежить від їх кінетичної енергії та сили магнітного поля.
Лазери на вільних електронах, яких уже існує кілька десятків у всьому світі (у тому числі в Науково-дослідному центрі Россендорфа, Технічному університеті Дармштадта та Університеті Дортмунда), забезпечують подальше значне збільшення яскравості. Тут також пакети електронів направляються через індулятори. Однак вони набагато компактніші, ніж у кільці зберігання синхротронного випромінювання, і генеровані імпульси світла приблизно в тисячу разів коротші та в десять тисяч разів інтенсивніші. Як і у випадку з лазерами, імпульси також складаються з когерентного світла: фотони коливаються в унісон, тоді як при звичайному синхротронному випромінюванні вони рухаються безладно.
Для досягнення узгодженості більшість діючих на даний момент СЕЛ, як і класичні лазери, використовують оптичний резонатор із дзеркальною системою, в якому світлове поле відбивається кілька разів і додатково посилюється кожним новим електронним пакетом. Джон Мадей - тепер Гавайський університет у Гонолулу - запропонував цей принцип у своїй дисертації в Стенфордському університеті в Каліфорнії в 1970 р. Та впровадив його там у 1977 р. Разом зі своїми колегами. До введення в експлуатацію випробувального комплексу Тесла найменша довжина хвилі, досягнута таким способом (в Даремі, штат Північна Кароліна, з FEL з Новосибірська) в ультрафіолеті, становила 193,7 нанометра; зараз вона становить 189 нанометрів (європейський проект FEL на Elettra, Трієст, Італія).
Якщо ви хочете перейти на ще коротшу довжину хвилі, вам доведеться обійтися без кількох проходів із використанням дзеркал, оскільки короткохвильові рентгенівські промені не можуть бути відображені належним чином. Тому багато років здавалося неможливим побудувати FEL для рентгенівського сектору.
Але вже в 1980 році Анатолій Кондратенко та Євген Салдін показали вихід. Відповідно до цього, електрони в пучку повинні розташовуватися настільки регулярно, щоб їх відстань відповідало довжині хвилі випромінюваного випромінювання. Потім вони когерентно посилюють амплітуду світлової хвилі і, таким чином, створюють лазерний ефект лише за один прохід променя через довгий хвилемір; оптичний резонатор для поступового посилення протягом декількох проходів більше не потрібен.
Самозміцнюється лавина випромінювання
Було показано, що спочатку невпорядкований електронний пучок, маючи достатню інтенсивність, може отримати таку регулярну модуляцію щільності завдяки взаємодії з випромінювачем, який він генерує сам: чим сильніше електромагнітна хвиля, тим ефективніше стимулювання, і когерентна хвиля зростає як лавина. Цей ефект стає самопідсилюваним спонтанним викидом (самозміцнюється спонтанне випромінювання, Sase) зателефонував.
Принцип Сасе був продемонстрований ще в 1984 році в лабораторії Лоуренса Лівермора. На основі цього в ІЧ-діапазоні був побудований FEL в Лос-Аламосі в 1998 році. У 2000 р. Вдосконалене джерело фотонів Національної лабораторії Аргонна просунулося в область видимого світла з довжиною хвилі 530 нанометрів. Зараз він досяг лазерного ефекту на 265 нанометрів. Як було показано в Аргонні, а тепер і у Дезі, інтенсивність лазерного світла зростає експоненціально із збільшенням довжини хвилі.
Вчені з Стенфордського центру лінійних прискорювачів у Каліфорнії вперше розробили Sase-FEL для рентгенівського діапазону. Однак поки що Дезі виявилася швидшою у впровадженні. З його FEL від 80 до 180 нанометрів, він в даний час знаходиться на вершині світу.
Для чого корисне це короткохвильове випромінювання FEL? Серед іншого, їх блиск дозволяє досліджувати сильно розбавлені зразки - наприклад, атоми, молекули та кластери ("атомні кластери") у газовій фазі. Щільність променів від цих частинок зазвичай настільки мала, що експерименти можливі лише при інтенсивному лазерному світлі. Крім того, інтервал часу між лазерними імпульсами можна встановити в межах пікосекунди (трильйонної частки секунди). Це дозволяє досліджувати елементарні процеси хімічних реакцій, що відбуваються саме в цей час. Насправді довжина хвилі лазерного світла близько ста нанометрів, яка в даний час виробляється на FEL випробувального комплексу Тесли, точно відповідає енергії зв'язку зовнішніх електронів, яка визначає хімічні реакції. З ще коротшими довжинами хвиль до шести нанометрів, які повинні бути доступні з 2004 року, внутрішні електрони також можуть бути видалені, які мають енергії іонізації, характерні для кожного елемента.
Іншим важливим додатком є дослідження біологічних зразків - таких як білки, віруси та живі клітини. Вони дуже швидко пошкоджуються короткохвильовим випромінюванням - при рентгенівській мікроскопії приблизно через п'ятдесят пікосекунд і при структурному аналізі навіть через десять-сто фемтосекунд (квадрильйонні секунди). Спалах FEL протягом декількох фемтосекунд пропонує можливість отримати зображення з високою роздільною здатністю до того, як радіаційне пошкодження змінило зразок.
Це була б революція для структурних та функціональних досліджень. Наприклад, поглинання кисню міоглобіном може бути "зафільмоване". Цей м’язовий білок схожий на пігмент червоної крові гемоглобін і поглинає кисень з нього, забезпечуючи м’язову тканину. Для отримання рухомих зображень цього процесу були б потрібні дифракційні експерименти з високоінтенсивним рентгенівським лазером - поки що є лише знімки, зроблені із синхротронним джерелом на ESRF в Греноблі.
Однак для рентгенівської мікроскопії на живих клітинах випромінювання повинно мати довжину хвилі від 2,3 до 4 нанометрів, щоб воно лише слабко поглиналось великою кількістю води в цитоплазмі. Аналіз рентгенівської структури вимагає навіть довжини хвилі нижче нанометра; Це пов’язано з тим, що відстані між атомами біомолекули знаходяться в цьому діапазоні, і дифракційні ефекти, на яких базується структурний аналіз, виникають лише в тому випадку, якщо довжина хвилі використовуваного випромінювання така ж мала. Такі дослідження можливі лише з FEL від самої Тесли, чиє рентгенівське світло має досягати довжин хвиль до 0,1 нанометра завдяки високій енергії, що віддається електронам на довгий шлях прискорення.
Подвійна вигода
Для фізиків високих енергій Тесла був би ідеальним аналогом Великого адронного колайдера (LHC) у місті Керн в Женеві, в якому протони та іони стріляють один в одного замість електронів. Планується, що LHC запрацює в 2006 році. Рішення щодо проекту Tesla має бути подано не пізніше кінця 2003 року. Якщо це виявиться позитивним, проїзд щитом до тунелю може початися через півроку. Загалом можна очікувати близько восьми років будівництва. Відповідно, це повинно пройти до 2010/11 року, перш ніж відбудуться перші зіткнення підземних частинок, і рентгенівські промені від лазера вільних електронів будуть спрямовані у формі віяла на двадцять станцій надземного експериментального залу.
На той час потрібно було б зробити 7000 людських років - зусилля, яке можна здолати лише в рамках міжнародної співпраці. Тому не можна повністю виключати, що Tesla не буде побудована, незважаючи на позитивні результати поточного підготовчого етапу. Лазерне світло від випробувальної установки з 300-метровим прискорювачем, безумовно, буде доступне для експериментів з 2004 року.