Впервые испытан мощнейший в мире лазер на свободных электронах

Европейский лазер на свободных электронах (European XFEL) сгенерировал свой первый пучок когерентного рентгеновского излучения. Согласно проекту, установка станет самым ярким источником рентгена, в десятки тысяч раз превзойдя светимость синхротронов. Официально XFEL начнет работу в сентябре, его основное предназначение — исследование атомарной и молекулярной структуры материалов (в том числе биологических). Об этом сообщает пресс-релиз организации.

Длина волны рентгеновского излучения в сотни раз меньше, чем у видимого света — она сопоставима или гораздо меньше размеров атомов. Это позволяет активно использовать его для изучения атомарной структуры кристаллов. Есть несколько видов источников рентгеновского излучения. Впервые рентген был обнаружен в катодных трубках — приборах, в которых электроны срываются с катода, ускоряются электрическим полем и врезаются в анод, заставляя последний генерировать излучение за счет электронных переходов в атомах. Подобные источники используются, например, в рентгеновских аппаратах в поликлиниках.

Более интенсивное излучение генерируется на ускорителях заряженных частиц. Согласно законам электродинамики, заряженная частица, которая движется с ускорением, излучает фотоны. Если при этом кинетическая энергия (и скорость) частицы велика, то большой оказывается и энергия фотонов. Одними из самых мощных источников рентгеновского излучения являются синхротроны. В них электроны движутся с околосветовыми скоростями по кругу, диаметром в сотни метров и испытывают центростремительное ускорение благодаря поворотным магнитам. Яркость синхротронов на несколько порядков выше, чем у катодных трубок.

Следующий шаг развития рентгеновских источников — лазеры на свободных электронах. В отличие от синхротронов, эти установки линейные. Электроны в них ускоряются сверхпроводящими резонаторами и направляются в ондуляторную линию. Она состоит из огромного числа магнитов с чередующейся полярностью — они отклоняют электроны от изначальной траектории то влево, то вправо. На каждом таком повороте испускаются кванты рентгеновского излучения.

В Европейском лазере на свободных электронах количество таких магнитов превышает 17 тысяч. Прежде чем попасть в ондулятор, электрон пролетает через 2,1-километровую ускорительную линию. Общая его длина составляет 3,4 километра, прибор располагается неподалеку от Гамбурга (Германия). Основная часть лазера находится под землей. Это крупнейший лазер на свободных электронах из существующих.

В рамках первого пуска установки ученым удалось получить лазерные пучки с длиной волны 0,8 нанометра. Частота генерации коротких импульсов составляла один герц — один импульс в секунду. Когда установка выйдет на проектную мощность, за одну секунду будет генерироваться 27 тысяч таких 100-фемтосекундных импульсов. Ожидается, что с ее помощью можно будет заснять «видео» того, как изменяются молекулы в ходе химических реакций. К примеру, с помощью предшественников E-XFEL физики засняли взрывы нанометровых ксеноновых кластеров, разрыв связи в молекуле иода и циклогексадиена, а также движение ударной волны в алмазе.

European XFEL — не первый лазер на свободных электронах. Впервые подобный лазер был создан в 1971 году в Стенфорде. Частота излучения таких систем может варьироваться от рентгеновской до инфракрасной. Самый яркий рентгеновский лазер на свободных электронах находится на данный момент в национальной ускорительной лаборатории SLAC (Стенфорд) — LINAC.  Длина волны его излучения может быть установлена в пределах от 0,13 до 6,2 нанометров.

Владимир Королёв