Коммерсантъ Наука: Возле Гамбурга строится трехкилометровый микроскоп с российским участием

Автор: Алексей Фомин

Строительство комплекса European XFEL (XFEL — x-ray free electron laser). Подземный туннель длиной более трех километров пройдет от гамбургского района Баренфельд до города Шенефельд в земле Шлезвиг-Гольштейн Фото: www.xfel.eu

В Германии в рамках проекта European XFEL строится самый крупный в мире рентгеновский лазер. Россия — второй после Германии (у которой 54%) участник проекта. Нашей стране, которую представляет РОСНАНО, принадлежит 23% объема финансирования и пропорциональная доля времени использования установки. Другие 12 стран-участников вносят от 1 до 3,5% стоимости проекта, которая приближается к 1,2 млрд евро.

За названием «рентгеновский лазер на свободных электронах» скрыт утилитарный смысл, который можно определить словами «рентгеновский микроскоп».

European XFEL представляет собой установку длиной более 3,4 км — столько необходимо, чтобы до нужной скорости разогнать электроны. Она включает в себя линейный ускоритель электронов, сам рентгеновский лазер и здания лабораторий.

 

Эволюция микроскопа

Более 300 лет с изобретения микроскопа для изучения микрообъектов использовали видимый свет, а в качестве детектора — глаз. Так, например, удалось открыть клеточное строение биологических организмов. В середине XIX века немецкий инженер Карл Цейс и профессор Эрнст Аббе показали, что разрешающая способность светового микроскопа не беспредельна.

Главное ограничение — длина волны используемого излучения. Для видимого света 380–740 нм, в то время как условный размер атома составляет десятые доли нанометра. Сегодня оптические микроскопы позволяют наблюдать детали в сотни нанометров, что близко к физическому пределу. Специальные технологии позволяют добиться разрешения в десятки нанометров, это даже за пределами дифракционных ограничений, но все равно мало для изучения всех нанообъектов.

Когда в начале XX века предположения о волновых свойствах частиц подтвердились экспериментально, стало ясно, что в микроскопе свет можно заменить потоком электронов. Электрон может иметь длину волны в десять раз меньшую, чем диаметр атома. А пучком ускоренных электронов с помощью магнитного поля можно оперировать как светом — создавать «линзы» и другие «оптические» элементы.

Другая идея для изучения нанообъектов — использовать вместо оптического излучения рентгеновское. Фотоны рентгеновского спектра имеют энергию от 100 эВ (электронвольт) до 250 тыс. эВ, что соответствует излучению с длиной волны от 0,005 до 10 нанометров — это позволяет приблизиться к «рассмотрению» отдельных атомов и даже заглянуть к ним внутрь.

Но с рентгеновским излучением иметь дело непросто. Рентгеновские лучи плохо поддаются фокусировке обычными линзами и не отклоняются магнитным полем. Сегодня рентгеновские микроскопы, принципы которых похожи на работу оптических, используют излучение синхротронов и позволяют увидеть объекты размером в несколько нанометров.

 

Быстрое кино про очень маленьких

 

Электронная микроскопия
Первый электронный микроскоп был создан Максом Кноллем и нобелевским лауреатом Эрнстом Руской в 1931 году. Как и оптические, он состоял из двух линз, только магнитных. Луч проходил через тонкий образец, а детекторы фиксировали дифракционную картину. Прибор давал 16-кратное увеличение, худшее, чем у оптических систем, но положил начало качественно иной микроскопии. Разрешение современных электронных микроскопов меньше нанометра.

Идея использования рентгеновского излучения эволюционировала в идею создания рентгеновских лазеров. Комплекс, который создают в Германии — это самый крупный в мире рентгеновский лазер. Порожденный им рентгеновский луч «просвечивает» изучаемый образец сверхкороткими вспышками, и за те мгновения, пока образец еще не разрушен излучением, ученые могут «поймать» дифракционную картину объекта, отражающую его во всех деталях.

Создание такой установки требует разрешения очень сложных противоречий. Длина волны излучения должна быть сопоставима с размером нанообъекта, и энергии этой волны должно хватить, чтобы принимающая аппаратура зафиксировала результат. Необходимо обеспечить малое время экспонирования, так как интенсивное излучение просто разрушит объект, если будет долгим. Наконец, необходимо добиться высокой пространственной когерентности излучения, чтобы избежать фазовых искажений. Для этого проектировщики XFEL вынуждены были использовать не круговой циклический ускоритель а линейный.

Он и есть главная часть лазера, длина ускорителя- 2,1 км. Его строительство ведется на глубине от 6 до 38 м. Объект готов на 80%. Модули ускорителя, всего их 101, будут охлаждаться жидким гелием практически до абсолютного нуля ради обеспечения сверхпроводимости в установке, ускоряющей электроны до релятивистских скоростей и энергии около 17,5 ГэВ (гигаэлектронвольт, 109 эВ). В будущем планируется увеличить энергию до 20 ГэВ. Чем больше энергия электронов, тем меньше длина волны излучения на выходе лазера, а значит, выше разрешение микроскопа.

Рентгеновское излучение возникает вследствие торможения разогнанных заряженных частиц. При торможении энергия электронов частично превращается в рентгеновские фотоны. В лазере XFEL после ускорительного блока электроны попадают в систему, где их энергия будет преобразована в рентгеновское излучение с помощью ондуляторов. Это сложная совокупность магнитов, которая заставляет электроны двигаться по искривленной траектории. Тут-то они и начинают излучать фотоны в рентгеновском диапазоне. Это позволяет получать около 27 тыс. рентгеновских «вспышек» в секунду. То есть система позволит «снимать фильмы» с участием объектов в единицы нанометров с частотой 27 тыс. кадров в секунду.

Перспективы использования знаний, полученных таким образом, грандиозны.

Источник: Журнал «Коммерсантъ Наука», №9 (9)Открыть в новом окне, 05.12.2011

Поделиться
Rss-канал