Новости

Дата публикации: 14/10/2016

Американские ученые потратят очередной «лазерный миллиард»

блок

Самый мощный в мире рентгеновский лазер (LCLS) может стать еще более ярким и быстрым. По крайней мере, именно к такому результату будут стремиться разработчики, заполучившие в свое распоряжение от Министерства энергетики США 1 млрд долларов. В случае успеха излучение усовершенствованного аппарата достигнет миллиона импульсов в секунду и покажет ученым мельчайшие детали атомарного мира.

Как известно, в природе существует множество «неочевидных и невероятных» для человека феноменов. Часто они не понятны нам просто потому, что недоступны прямому наблюдению в реальном времени. Мощные лазерные лучи отчасти решают проблему — рентгеновская микроскопия визуализирует меж- и внутримолекулярные процессы. «Улавливает» скрытое строение вещества, движение электронов и переходные состояния, когда между атомами устанавливается связь, в дальнейшем формирующая устойчивую молекулу.

Самый крупный рентгеновский излучатель LCLS (Linac Coherent Light Source) заработал в Центре линейных ускорителей Стэнфордского университета (SLAC) в 2009 г. Воздействуя на заполненную неоном капсулу, его сверхкороткие импульсы одинаковой длины волны (0,15 нм) обладают уникальными показателями яркости и частотности (несколько квадриллионных долей секунды). Устройство представляет собой атомарный лазер, который «возбуждает» рентгеновское излучение столкновением с мишенью высокоэнергетических электронов, разогнанных в ускорителе до огромной скорости. Возбужденные световыми частицами электроны атомов неона, переходя с более высокой на более низкую орбиту, испускают фотоны рентгеновского излучения. Проходя мимо соседних атомов, каждая световая частица провоцирует цепную реакцию, в результате чего первая из них «усиливается» в 200 миллионов раз. Причем все фотоны имеют одинаковую поляризацию и длину волны.

Установка доказала свою полезность во многих практических вопросах. Так изучение биологической механики фотосинтеза на атомно-молекулярном уровне позволило увеличить эффективность солнечных батарей. А снимки химических связей между атомами водорода и кислорода в молекуле воды повлияли на разработку новых типов катализаторов для процесса расщепления и получения водорода — главного компонента экологически чистого топлива.

Однако в ближайшем будущем LCLS ожидает модернизация, в результате которой лазер станет в 8 тысяч раз быстрее и в 10 тысяч раз ярче. Главным элементом такого «апгрейда» является сверхпроводящий ускоритель. Сейчас большая часть его токопроводящих узлов изготовлена из меди. В новом ускорителе медь заменит сплав, содержащий ниобий. Его охлаждение до криогенной температуры создаст практически нулевое сопротивление, благодаря чему электрический заряд быстрее распространится по всей длине проводника и с меньшими потерями.

Таким образом, LCLS-II будет генерировать около миллиона импульсов в секунду (сейчас он производит 120 импульсов в секунду), потребляя прежнее количество энергии. Несмотря на все изменения, принцип работы новой системы останется прежним. Поток высокоэнергетичных электронов, разогнанных почти до скорости света, тормозится сильным магнитным полем, в результате чего частицы сбрасывают излишки энергии в виде когерентного и монохроматического рентгеновского излучения.

В целом, появление практически непрерывного луча невероятной яркости выводит рентгеновскую микроскопию на качественно новый уровень, открывая ученым дверь в атомарные миры исключительной детализации. Сверхкороткие по времени импульсы (в восемь раз короче, чем у LCLS) дадут возможность исследовать процессы фемтосекундной длительности, которые формируют тонкие связи между атомами. Кстати, в будущем ученые сделают импульсы еще короче, заполняя капсулы кислородом, азотом или парами серы. Это позволит фиксировать события продолжительностью в несколько квадриллионных долей секунды. Потому что чем короче лазерные импульсы и сильнее монохроматичность излучения, тем детальнее измерения и выше разрешающая способность визуальных изображений, полученных с помощью лазерной установки.

Стоимость всей модернизации оценивается в 1 миллиард долларов, что означает замену трети старого оборудования новым. Создание LCLS-II финансируется американским Министерством энергетики. Согласно плану, установка вступит в строй в 2020 году. При этом LCLS будет продолжать функционировать за исключением 6-месячного периода в 2017 г. и 12-месячного ― в 2018-2019 годах.



Статьи по теме:

страницы: 1