Физика на ускорителя: светлина с бъдеще

Преди година и половина това предизвика сензация като един от осемте проекта в Хамбург за Експо в Хановер: тестовото съоръжение за планирания свръхпроводящ ускорител на частици Tesla (TeV Energy свръхпроводящ линеен ускорител) в изследователския център по физика Desy в Хамбург. Тесла е проектиран като така наречения линеен колайдер: електроните и техните античастици (позитрони) трябва да достигнат енергии от 500 до 800 милиарда електронволта на разстояние около петнадесет километра и след това да се сблъскат челно. Надяваме се преди всичко, че това ще предостави фундаментални нови знания за елементарните частици и техните взаимодействия.

В тестовото съоръжение най-важните компоненти се проверяват предварително по много по-кратък маршрут. Това са по-специално приблизително един метър свръхпроводящи резонатори на кухината, изработени от високо чист ниобий, които задвижват електроните с генерираните в тях електромагнитни високочестотни полета. Около 20 000 от тях са планирани за Tesla.

Ускорителят обаче е предназначен да служи и за по-нататъшна цел: Операторите искат да използват високото качество на електронния лъч за свободен електронен лазер (FEL), който работи в недостъпните преди това спектрални диапазони извън UV областта. С предварителната версия в тестовото съоръжение лазерните светкавици във вакуумния ултравиолет при 109 нанометра вече са генерирани през февруари 2000 г. - световен рекорд. Междувременно дължината на вълната може да варира между 80 и 180 нанометра, като се използва енергията на електроните, а максималното възможно усилване (насищане) на FEL е достигнато при 98,1 нанометра през септември 2001 г. Пиковата мощност на светлинните импулси е в диапазона от гигавати. С по-нататъшно разширяване, меката рентгенова област до шест нанометра също трябва да бъде разработена до 2004 г.

Досега ускорителите са генерирали само синхротронно излъчване. Въпреки че често е по-интензивна и по-къса вълна от нормалната светлина, тя не е кохерентна: за разлика от лазерното лъчение, фотоните не се колебаят в унисон и покриват непрекъснат енергиен спектър, вместо всички да имат еднаква енергия. Синхротронното излъчване обикновено се излъчва от електрони, които циркулират в синхротрон по кръгова пътека. Първоначално доста нежелан страничен продукт, високоенергийната радиация сега е намерила много важни приложения - от производството на фини структури в микроелектрониката до изследване на триизмерната структура на молекулите до медицински изследвания, като например представянето на коронарните съдове.

Поради тази причина растенията за собственото им поколение са построени отдавна. В най-съвременните източници на синхротронно излъчване като Bessy II в Берлин или Европейското съоръжение за синхротронно излъчване (ESRF) в Гренобъл е възможно да се увеличи яркостта (блясък) до 10 000 пъти. За целта електроните се принуждават да преминат през слалома с помощта на периодични магнитни структури - така наречените ундулатори. След това те изпращат свързано електромагнитно излъчване по посока на полета, чиято дължина на вълната зависи от тяхната кинетична енергия и силата на магнитното поле.

Лазерите със свободни електрони, които в света вече са няколко десетки (включително в Изследователския център на Росендорф, Техническия университет в Дармщат и Университета в Дортмунд), позволяват по-нататъшно значително увеличение на яркостта. Тук също пакетите електрони се изпращат през ундулатори. Те обаче са много по-компактни, отколкото в пръстена за съхранение на синхротронно излъчване и генерираните светлинни импулси са около хиляда пъти по-кратки и десет хиляди пъти по-интензивни. Както при лазерите, импулсите също се състоят от кохерентна светлина: фотоните се колебаят в унисон, докато при нормално синхротронно излъчване те се движат безредно.

За да се постигне съгласуваност, повечето от FELs в момента в експлоатация - като класическите лазери - използват оптичен резонатор с огледална система, в която светлинното поле се отразява няколко пъти и се усилва допълнително от всеки нов електронен пакет. Джон Мадей - сега в Хавайския университет в Хонолулу - предлага този принцип в дисертацията си в Станфордския университет в Калифорния през 1970 г. и го прилага там през 1977 г. със своите колеги. Преди пускането в експлоатация на тестовото съоръжение на Тесла, най-късата дължина на вълната, постигната по този начин (в Дърам, Северна Каролина, с FEL от Новосибирск) в ултравиолетовите лъчи е 193,7 нанометра; сега е 189 нанометра (европейски FEL проект в Elettra в Триест, Италия).

Ако искате да преминете към още по-къси дължини на вълната, трябва да направите без множество проходи с помощта на огледала, тъй като рентгеновите лъчи на къси вълни не могат да бъдат отразени по подходящ начин. Затова дълги години изглеждаше невъзможно да се изгради FEL за рентгеновия сектор.

Но още през 1980 г. Анатолий Кондратенко и Евгени Салдин бяха показали изход. Съгласно това, електроните в лъча трябва да бъдат подредени толкова редовно, че разстоянието им да съответства на дължината на вълната на излъченото лъчение. След това те усилват амплитудата на светлинната вълна по последователен начин и по този начин създават лазерен ефект само с едно преминаване на лъча през дълъг вълнообразувател; оптичен резонатор за постепенно усилване в продължение на няколко прохода вече не е необходим.

Самоукрепваща се лавина от радиация

Показано е, че първоначално неуреден електронен лъч, при достатъчен интензитет, може да получи такава регулярна модулация на плътността чрез взаимодействие с излъчващото възбудител, което генерира сам: Колкото по-силна е електромагнитната вълна, толкова по-ефективна е стимулацията и кохерентната вълна расте като лавина. Този ефект се превръща в самоусилваща се спонтанна емисия (самоусилваща се спонтанна емисия, Sase) се обади.

Принципът на Sase е демонстриран още през 1984 г. в лабораторията Lawrence Livermore. FEL, базиран на това в инфрачервения диапазон, е построен в Лос Аламос през 1998 г. През 2000 г. Advanced Photon Source на Националната лаборатория Argonne след това напредна в областта на видимата светлина с дължини на вълната от 530 нанометра. Сега е постигнал лазерен ефект при 265 нанометра. Както беше показано в Аргон, а сега и при Деси, интензивността на лазерната светлина се увеличава експоненциално с дължината на вълновода.

Изследователите от Станфордския линеен ускорителен център в Калифорния за първи път са проектирали Sase-FEL в рентгеновия диапазон. Досега обаче Desy се оказа по-бърза в изпълнението. Със своя FEL от 80 до 180 нанометра, в момента той е сред най-добрите в света.

За какво е полезно това късовълново FEL излъчване? Наред с други неща, високият им блясък позволява изследването на силно разредени проби - например атоми, молекули и клъстери ("атомни клъстери") в газовата фаза. Плътността на лъчите от тези частици обикновено е толкова ниска, че експериментите са възможни само с интензивна лазерна светлина. В допълнение, интервалът от време между лазерните импулси може да бъде настроен точно на една пикосекунда (трилионта от секундата). Това дава възможност да се изследват елементарни процеси на химични реакции, протичащи в този времеви мащаб. Всъщност дължината на вълната на лазерната светлина от около сто нанометра, която в момента се произвежда в FEL на тестовото съоръжение на Тесла, съответства точно на енергията на свързване на външните електрони, която определя химичните реакции. С още по-къси дължини на вълните до шест нанометра, които трябва да бъдат достъпни от 2004 г., вътрешните електрони също могат да бъдат премахнати, които имат йонизационни енергии, характерни за всеки елемент.

Друго важно приложение е изследването на биологични проби - като протеини, вируси и живи клетки. Те се повреждат много бързо от късовълнова радиация - с рентгенова микроскопия след около петдесет пикосекунди и със структурен анализ дори след десет до сто фемтосекунди (квадрилионти от секундата). FEL светкавица от само няколко фемтосекунди предлага възможност за получаване на изображение с висока разделителна способност, преди радиационното увреждане да промени пробата.

Това би било революция за структурните и функционалните изследвания. Например поглъщането на кислород от миоглобина може да бъде „заснето“. Този мускулен протеин е подобен на червения кръвен пигмент хемоглобин и поема кислорода от него за снабдяване на мускулната тъкан. За да се получат движещи се изображения на този процес, ще са необходими дифракционни експерименти с рентгенов лазер с висока интензивност - засега има само моментни снимки, направени със синхротронния източник в ESRF в Гренобъл.

За рентгеновата микроскопия на живи клетки обаче лъчението трябва да има дължина на вълната между 2,3 и 4 нанометра, така че да се абсорбира слабо от обилната вода в цитоплазмата. Рентгеновият структурен анализ дори изисква дължини на вълните под нанометър; Това е така, защото разстоянията между атомите на биомолекулата са в този диапазон и дифракционните ефекти, на които се основава структурният анализ, се появяват само ако дължината на вълната на използваното лъчение е също толкова малка. Такива изследвания са възможни само с FEL от самата Тесла, чиято рентгенова светлина трябва да достигне дължини на вълните до 0,1 нанометра, благодарение на високата енергия, която се дава на електроните по дългия път на ускорение.

Удвоете ползата

За физиците с висока енергия Тесла би бил идеалният аналог на Големия адронен колайдер (LHC) в Черн в Женева, в който протони и йони се изстрелват един в друг, вместо в електрони. LHC трябва да влезе в експлоатация през 2006 г. Решението за проекта Tesla се очаква най-късно до края на 2003 г. Ако се окаже положително, шофирането за щита за тунела може да започне шест месеца по-късно. Общо могат да се очакват около осем години строителство. Съответно, трябва да мине до 2010/11 г., преди да се случат първите сблъсъци на подземни частици и рентгеновите лъчи от лазера със свободни електрони се насочат във форма на вентилатор в двадесетте станции на надземната експериментална зала.

Дотогава ще трябва да се направят 7000 човеко-години - усилие, което може да бъде усвоено само в рамките на международното сътрудничество. Следователно не може да се изключи напълно, че Tesla няма да бъде построена въпреки положителните резултати от текущата подготвителна фаза. Лазерната светлина от тестовото съоръжение с 300-метров ускорител ще бъде достъпна за експерименти от 2004 г. нататък.