Рентгеновский луч в конце туннеля

Как и зачем работает самый мощный в мире лазер на свободных электронах
Алёна Вейс    

Окраина городка Шенефельд, расположенного неподалёку от Гамбурга. Поля, кусты, почти полная тишина. Автомобили здесь проезжают раз в десять минут, а пешеходы появляются ещё реже. В поле за забором из металлической сетки стоит здание из стекла и бетона. Перед ним развеваются флаги. Узнаю немецкий, испанский, шведский, ещё нескольких стран Европы. И наш — российский. Здание выглядит скромно, всего два этажа. Между тем здесь находится одна из самых мощных и дорогих научных установок в мире — лазер на свободных электронах European XFEL. А внизу, на глубине от 8 до 38 метров, проложены пять туннелей, в одном из которых стоит лазер длиной больше трёх километров. Он генерирует рентгеновские вспышки — 27 000 раз в секунду. По своим параметрам эти импульсы примерно в миллиард раз сильнее, чем рентгеновское излучение, с которым мы сталкиваемся в больницах и поликлиниках. Бюджет проекта — 1,25 миллиарда евро. Германия внесла 57% этой суммы, Россия — 27%, другие страны — от 1 до 3%.

Сгусток электронов летит по ускорителю и набирает всё больше и больше энергии. Скорость приближается к световой. А вокруг сверхпроводники, охлаждённые до –271 °C.

Институт, завод, офис

Перед входом в научный центр творится что-то необычное — шумное и весёлое: сцена, батуты, настольный футбол, дети с шариками и прочие атрибуты праздника.

— У нас сегодня Family Day для сотрудников, руководство устраивает такое мероприятие раз в год. В этом году тема — футбол, — объясняет мне Бернд Эбелинг.

Бернд — пресс-секретарь XFEL, прекрасно говорит на русском. Когда-то он был стажёром на радио «Голос России», женился на русской девушке и теперь здесь — возглавляет пресс-офис. Как скажет мне потом один из научных директоров XFEL, Бернд отвечает за «высокий русский»: его речь всегда правильна, порой даже слишком литературна. Хотя иногда он допускает мелкие ошибки, например называет лазер «лейзером».

2017 год — официальное открытие установки. А начали её строить в 2009-м.

Мне выдают каску, электронный пропуск и на большом, похожем на промышленный лифте везут вниз, в подземный цех. На первый взгляд похоже на завод: нет окон, какие-то аппараты, маленькие офисы у стен, гул, но людей почти нет. В центре большого зала, как на складе, лежат длинные трубы, а на стенах висят световые табло «Опасно, радиация».

Но сейчас они выключены, значит, нам ничего не грозит. Всё самое интересное происходит именно в этих маленьких застеклённых комнатках по периметру зала, где сидят учёные и наблюдают за экспериментами. Кто-то здесь работает постоянно: следит за приборами, инструментами, участвует в разработках, а кто-то приезжает на короткое время поставить опыт в рамках собственного исследования.

Учёные со всего мира могут бесплатно проводить здесь эксперименты, если их заявку с описанием исследования и целей работы одобрит специальный комитет. Но отбор проходит примерно треть заявок. Эксперты выбирают то, что, по их мнению, наиболее перспективно для науки.

— Условие одно: после завершения исследований необходимо опубликовать научную работу, чтобы эти знания стали доступны всему человечеству, — поясняет Бернд.

Бернд Эбелинг

Электроны. Свободные и быстрые


27 тысяч вспышек в секунду производит рентгеновский лазер. Это самый большой показатель в мире.

В одном из офисов слышна английская речь. Это научный сотрудник из России Дмитрий Хахулин даёт указание коллегам проверить приборы. Дмитрий — как назвал его Бернд, Instrument Scientist — принимал участие в строительстве и работает в XFEL на полной ставке: занимается исследованиями и помогает «внешним пользователям» проводить эксперименты. Так что он хорошо знает и как устроена установка, и как она работает.

— Принцип работы лазера на свободных электронах впервые был описан в 1980 году нашими учёными Евгением Салдиным и Анатолием Кондратенко из Института ядерной физики имени Будкера в Новосибирске, — рассказывает Дмитрий.

Дмитрий Хахулин

European XFEL — самая крупная в мире установка такого типа.

— То, что этот лазер существует и работает, уже огромный прогресс для науки, — отмечает Дмитрий.

Пытаюсь разобраться в устройстве этой штуковины. Вначале обычный лазер бьёт по поверхности полупроводника, вышибая из него электроны. Отсюда и «свободные электроны» в названии установки — имеется в виду не мироощущение частиц, а то, что они летают отдельно от своих атомов.

Важно, чтобы мишень, из которой выбивают электроны, была идеально гладкой, ведь даже самые маленькие неровности на старте будут усиливаться в процессе ускорения, и пучки частиц окажутся недостаточно качественными.

После того как электроны освободятся, их разгоняют почти до скорости света. Это происходит в ускорителе длиной 1,7 км. Энергия передаётся электронам в СВЧ-диапазоне — напоминает работу гигантской микроволновки. Для разгона используются сверхпроводники из ниобия, которые работают при температуре –271 °С. В таком холоде электрическое сопротивление исчезает и почти вся мощность передаётся частицам.

Ускоренные электроны попадают в ондулятор — пространство с большим количеством магнитов вверху и внизу. У каждого из магнитов полярность противоположна соседнему: если у первого «северный полюс» сверху, а «южный» снизу, то у второго всё наоборот, у третьего как у первого и т. д. Под воздействием разнополярных магнитов пучок частиц начинает двигаться по синусоиде, словно по слаломной трассе. Из-за этих изгибов каждый электрон начинает испускать рентгеновское излучение.

Как мы помним, скорость электронов почти световая. Но именно почти. А у рентгеновского луча она ровно такая, какая должна быть у света в вакууме, то есть чуть больше, чем у электронов. Рентгеновское излучение идёт на обгон, замедляя одни электроны и ускоряя другие. Электроны объединяются в диски, в которых каждый электрон выдаёт излучение синхронно с другими.

Дальше магниты уводят электроны в сторону, и они завершают свой путь в специальной ловушке. А рентгеновский луч летит прямо, обеспечивая очень короткие и очень интенсивные вспышки. XFEL обеспечивает до 27 тысяч импульсов в секунду — это самый большой показатель в мире среди подобных установок.

Говорят, что Нобелевский комитет всерьёз рассматривает создание рентгеновского лазера на свободных электронах как основание для вручения премии по физике. Так что список нобелевских лауреатов вполне может пополниться нашими соотечественниками.

От космоса до атома

«Визуализация митохондрий млекопитающих…»

«Габариты летательного аппарата, предназначенного для атмосферы Марса…»

«Формирование алмазов внутри планет…»

«Сбор данных о структуре микрокристаллов белков…»

«Локальные магнитные моменты железа и никеля в атмосферных условиях и в недрах Земли…»

«Разрушение тантала при экстремальных растягивающих напряжениях…»

«Сверхбыстрое наблюдение динамики решётки золотой фольги…»

«Изучение чрезвычайно сильных ударных волн в твёрдых телах»…

Это заголовки статей, опубликованных по итогам экспериментов на подобных установках. Минимальная длина волны Euroepean XFEL составляет 0,05 нм (то есть стомиллиардные доли метра), а продолжительность импульса измеряется фемтосекундами (это одна 1 000 000 000 000 000-я доля секунды). В результате можно в реальном времени наблюдать поведение атомов и молекул во время очень быстрых химических реакций. Или смотреть, как ломается кусочек металла. Или анализировать, как клетка сопротивляется вирусу. Много чего можно.

Это ондулятор. Внутри него пучок электронов движется по синусоиде, словно горнолыжник по слаломной трассе. В итоге возникает рентгеновское изучение, которое обгоняет электроны.

В каком-то смысле XFEL напоминает очень большой микроскоп, только возможностей у него куда больше, чем у оптического прибора. Он способен делать десятки тысяч снимков в секунду, превращая мгновенное событие в целый сериал.

— Это нужно, чтобы наблюдать элементарные химические процессы. Мы ведь работаем с малыми системами: атомами или даже электронами. И хотим понять, например, как происходит преобразование солнечной энергии, как переносится кислород в крови человека или как ведут себя вирусы под действием каких-то лекарств. Это всё фундаментальные процессы, но такие исследования находят применение во многих науках и сферах жизни. Они могут понадобиться для создания лекарств, чтобы восстановить озоновый слой или узнать, какие процессы происходят на звёздах, — рассказывает Дмитрий Хахулин.

Лазерные сутки


Дмитрий и Бернд ведут меня за свинцовую стену, отделяющую компьютерный зал от экспериментального, где расположены принимающие элементы установки. Свинец нужен для защиты сотрудников от радиации. На XFEL очень внимательно следят за безопасностью как работников, так и окружающей среды.

— В Германии с этим строго, — убеждает Дмитрий, — нас ещё до открытия много раз проверяли. Самый большой риск — это если произойдёт утечка гелия. Нам для охлаждения установки его много нужно. Вероятность взрыва почти исключена, но ведь гелий — невозобновляемый ресурс, так что, если он от нас сбежит, детям нечем будет шарики надувать. Шутка. Но мы следим, чтобы всё было хорошо.

Спускаемся в туннель. Бернд показывает на выключенное табло «Лазер включён» и объясняет, что, если бы установка работала, а надпись светилась, при попытке пройти в эту зону по пропуску лазер бы экстренно отключили. Институту это влетело бы в копеечку, но жизнь и здоровье сотрудников дороже. Сейчас тут безопасно: никакие эксперименты не проводятся. Но на всякий случай каждый носит с собой дозиметр.

Туннель напоминает московское метро: низкий арочный потолок, бетонные стены. Сходство с подземкой неслучайно — Бернд рассказывает, что для проходки туннелей используются те же машины, что и при строительстве метрополитена.

А вот и сама установка — тонкая, мощная и грандиозная, уходящая далеко в темноту.

— Одной стране такое не потянуть, ни технологически, ни финансово. Нужно собрать лучшие технологии во всех областях и работать вместе. В этом фишка таких межнациональных проектов: каждый отдаёт лучшее, — Дмитрий смотрит по сторонам с восхищением. — Здорово работать в таком коллективе: люди со всего мира, все с разным бэкграундом, со своей культурой.

Когда мы выходим из туннеля и проверяем свои дозиметры, Бернд добавляет:

— Установка порой работает 24 часа в сутки. И тогда одна группа учёных проводит свои эксперимент первые 12 часов, другая получает следующие 12. За короткое время нужно многое успеть, и каждый хочет получить максимум.

3,4 км

общая длина туннеля от Гамбурга до городка Шенефельд, где расположен исследовательский центр.

Выход на поверхность


Возвращаемся наверх, в офисную часть. После туннеля всё выглядит слишком простым и обычным. С улицы слышны разговоры, музыка и смех. Мы с Берндом идём к руководству. Сергей Молодцов — один из трёх научных директоров института, но на начальника непохож: улыбчив, много шутит и рисует простые схемы, объясняя мне сложные физические процессы. Как и Дмитрий, он рассказывает о своей работе с интересом и удовольствием. Получив высшее образование в России, Сергей больше 20 лет проработал в немецких институтах, потом пришёл на XFEL.

— Мне больше всего интересна именно фундаментальная физика. Например, проверить, как работают законы квантовой механики. На каком-то уровне они, понятно, перестают выполняться: что применимо для частицы, неприменимо для кота, состоящего из этих частиц. Но хочется посмотреть, до какого момента законы микромира всё-таки действуют, — рассказывает Молодцов. — Наша установка позволяет изучать самые разные явления. Помните, лет тридцать назад в Европе была истерика по поводу коровьего бешенства? Тогда никто не знал, что это и как защититься. Много времени ушло, чтобы выяснить: болезнь вызывают прионы — белки, которые по составу не отличаются от обычных, но структура у них другая. Вот если бы наша установка уже работала, эти белки можно было бы очень быстро выявить.

— Здесь всё уникально: и оборудование, и цена. Один час работы стоит десятки тысяч евро, — замечает Сергей.

Пока XFEL — самый крупный и мощный лазер такого типа, похожие создаются в США и Китае. Поэтому у XFEL есть 3–4 года, чтобы «снять сливки» и при этом продолжать развиваться. Уже сейчас здесь есть два пустых туннеля для новых установок, которые, возможно, будут выдавать ещё более короткие импульсы. А к 2030 году планируется построить ещё пять туннелей — земля под них уже зарезервирована. Так что планы у института большие.

Я прощаюсь. Сергей благодарит за проявленный интерес и вздыхает:

— У нас очень сложная установка и очень сложная физика — чтобы до конца во всём этом разобраться, нужно быть специалистом. Но для нас важен отклик обычных людей, важно, чтобы они понимали: то, что здесь происходит, имеет огромное значение для человечества в целом. Особенно это относится к жителям России...

Наша страна является вторым по величине инвестором European XFEL: около 27% его бюджета — российское финансирование. Более того, ускоритель строился с использованием приборов, которые создали в Новосибирске, Дубне и Санкт-Петербурге.

Российские учёные уже провели здесь ряд экспериментов, пишут заявки на новые и работают над совместными проектами.

— Многие говорят: а зачем вкладывать деньги в Германию, могли бы построить такое в России! Но это не так. Проекты вроде XFEL в одиночку никто не осилит. Фундаментальная наука интернациональна, — уверен Сергей. — К тому же эта установка больше чем на четверть принадлежит России, так что вы можете чувствовать себя здесь как дома. Мы говорим по-русски, здесь работают российские учёные, и мы всегда рады видеть гостей из России!

Сергей Молодцов
47 стран

стран прислали своих учёных работать на XFEL
Среди сотрудников центра не только европейцы, но и представители Индии, Японии, Китая, Нигерии, Пакистана, Казахстана, Мексики, Новой Зеландии, Ирана и многих других государств.

Источники

Спецномер научно-популярного журнала «Кот Шрёдингера», октябрь 2018

Иллюстрации

European XFEL / Option Z / Jan Hosan / iStock