Рентгеновский лазер, яркость излучения которого на несколько порядков превосходит существующие источники синхротронного излучения, - реально ли его создать? Первый этап уже пройден.

В Германии завершено строительство подземной части комплекса европейского проекта рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL (X-ray Free-Electron Laser), начатое в 2009 году.  Строительство наземных зданий, установку самого лазера и исследовательского оборудования  планируется завершить к 2015 году. Работа рентгеновского лазера XFEL начнется в 2016 году.

Карта расположения туннелей XFEL.

Туннель. В таких туннелях разместятся ускоритель и ондуляторы.

Экспериментальный зал, где разместится исследовательское оборудование.

Визуализация соединения туннелей с экспериментальным залом.

Схема работы рентгеновского лазера на свободных электронах. 1. Источник и ускоритель электронов. 2. Система магнитов (ондулятор). 3. Ловушка для электронов. 4. Луч рентгеновского излучения. Траектория движения электронов показана синусоид

Комплекс крупнейшего в мире лазера на свободных электронах XFEL будет состоять из системы туннелей общей длиной примерно 5,8 километров, расположенных на глубине от 6 до 38 метров под землёй и нескольких зданий в Шенефельде и университетском городке DESY (Немецкий электронный синхротрон) в Гамбурге. Туннели ведут  в экспериментальный зал площадью 4500 квадратных метров, расположенный на глубине 14 метров. Общая длина сооружения, протянувшегося от Гамбурга до Шенефелда, составляет 3,4 км.

Для генерации рентгеновского излучения пучок электронов будет сначала ускоряться до скоростей, близких к скорости света (максимальная энергия 17,5 ГэВ) в линейном сверхпроводящем ускорителе, занимающем туннель длиной 2,1 км (разгонный туннель). Далее электроны попадают в «веер» из пяти так называемых фотонных туннелей, которые ведут в подземный экспериментальный зал в Шенефельде, где будет размещена исследовательская аппаратура. В этих туннелях расположены системы сильных разнополюсных магнитов (ондуляторы) , которые заставляют электроны двигаться по криволинейной траектории, похожей на синусоиду, в результате чего на поворотах возникают вспышки синхротронного рентгеновского излучения. Система сконструирована таким образом, что электроны излучают синхронизированно, а  световые вспышки усиливают друг друга. В результате получается импульс когерентного излучения огромной мощности, по свойствам аналогичный лазерному излучению. Пять туннелей позволяют одновременно получить пять источников рентгеновского излучения с различными характеристиками.

Яркость излучения строящегося рентгеновского лазера будет на несколько порядков превосходить существующие источники синхротронного излучения. Длительность  импульса излучения будет менее 100 фемтосекунд. Это приблизительно время, которое необходимо химическим соединениям для формирования и группировки молекул в химических реакциях. За одну секунду можно будет получать до 30 000 импульсов. Это позволит изучать очень быстрые процессы, которые невозможно исследовать другими методами. В частности, это даст возможность следить за молекулярными и атомарными процессами, происходящими в материалах и биомолекулах. Длина волны генерируемого излучения может меняться от 0,05 до 6 нм, что позволяет производить измерения на атомных масштабах. Когерентность излучения позволяет получать голографические изображения на атомарном уровне.
Проект XFEL откроет огромные возможности для изучения химических и физических процессов, происходящих в веществе, позволит выйти на новый уровень в исследованиях в области физики, химии, материаловедения, наук о жизни, биомедицине.
Установка позволит исследователям в реальном времени наблюдать процессы образования и разрушения молекул, прохождение химических реакций и мгновенно регистрировать фазовые переходы в материалах, происходящие под действием мощного импульсного излучения. Это даст возможность лучше понять природу вещества и научиться конструировать принципиально новые материалы с заданными свойствами. С помощью этой установки ученые собираются исследовать структуру биомолекул и патогенных микроорганизмов.

В  международном научном проекте XFEL участвует 12 стран. Использование главного ресурса установки – пучкового времени – будет осуществляться в соответствии с вкладом каждой страны в ее создание. Более половины затрат на строительство принадлежит Германии, вторая по величине доля участия – более 26% – принадлежит России
(306,4 млн. евро в ценах 2005 года).

У истоков проекта стояли российские  ученые из новосибирского Института ядерной физики им. Г. И. Будкера, где  еще более 30 лет назад  впервые был предложен режим генерации лазерного рентгеновского излучения, впоследствии положенный  в основу XFEL. А идею ондулятора ещё в 1947 году выдвинул В. Л. Гинзбург.

Роль научного координатора и руководителя от России занимает НИЦ «Курчатовский институт». Финансирование осуществляет ОАО РОСНАНО.
Иллюстрации: http://www.xfel.eu