Лазер длиной в три километра

В Московском физико-техническом институте прошел круглый стол, посвященный строительству XFEL — самого крупного в мире рентгеновского лазера (разера) на свободных электронах. XFEL (X-ray Free Electron Laser — рентгеновский лазер на свободных электронах) — международная программа по созданию крупнейшей в мире установки для наблюдения за ходом химических реакций. По словам участников проекта, XFEL позволит проследить за сложными биохимическими процессами в клетках и приведет к быстрому прогрессу в понимании механизмов ряда заболеваний, например болезни Паркинсона.

Фактически новый лазер представляет собой уникальный инструмент, позволяющий в режиме онлайн следить за изменениями в трехмерной структуре крупных биомолекул.Общая длина туннеля лазера — 3,4 километра. Туннель начинается от самого крупного в Германии центра физики частиц DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron — Немецкий электронный синхротрон), расположенного в Гамбурге, и доходит до границы города Шенефельд земли Шлезвиг-Гольштейн. Вся система туннелей лазера расположена под землей на глубине от шести до 38 метров. Для разгона электронов будет использоваться сверхпроводящий линейный ускоритель общей протяженностью 2,1 километра с расчетной энергией от 17,5 до 20 мегаэлектронвольт. По всей длине разгонной части ускорителя, равной 1,7 километра, установят 101 модуль, состоящий из специальных сверхпроводящих камер.

Частицы, поступающие в ускоритель, выбиваются из металла при помощи специального лазера. Источник излучения должен удовлетворять специфическим условиям, так как самые незначительные отклонения в первоначальном движении электронов могут привести к получению на выходе пучка недостаточно высокого качества.

 На первых 1,7 километра электроны будут ускоряться в специальных резонаторах, в которых разгон частиц осуществляется при помощи микроволнового излучения до скоростей, сравнимых со скоростью света. Сами резонаторы изготовлены из материала с ниобием, переходящим в сверхпроводящее состояние при охлаждении до температуры минус 271 градус Цельсия. Это позволяет почти без потерь расходовать электрическую энергию на ускорение частиц и формировать достаточно тонкий пучок электронов. В качестве охладителя планируется использовать жидкий гелий.

 После ускорительной части 3,4-километрового туннеля лазер сможет генерировать около 27 тысяч рентгеновских вспышек с длиной волны от 0,05 до 6 в секунду и продолжительностью до ста фемтосекунд (менее одной триллионной доли секунды).

 Это сделает установку самой мощной в мире среди всех рентгеновских лазеров столь короткие импульсы позволят исследовать трехмерную структуру крупных биомолекул и их взаимодействия с точностью, недоступной ранее. Аналогичные лазеры работают в США и Японии, но их возможности на порядки ниже европейских.