Физика за забрзување Светлина со иднина - спектар на науката
Физика на забрзувач: светло со иднина
Како еден од осумте проекти во Хамбург за Експо во Хановер, предизвика сензација пред година и пол: тест објект за планираниот забрзувач на честички за суперспроводливост Тесла (Теневиски енергетски линеарен забрзувач на суперспроводливост) во Центарот за истражување на физиката Дези во Хамбург. Тесла е дизајниран како таканаречен линеарен судир: електроните и нивните античестички (позитрони) треба да достигнат енергија од 500 до 800 милијарди електрони волти на растојание од околу петнаесет километри и потоа да се судрат директно. Првенствено се надеваме дека ова ќе обезбеди фундаментално ново знаење за основните честички и нивните интеракции.
Во тест-објектот, најважните компоненти се проверуваат однапред на многу пократок пат. Ова се особено резонаторите на суперспроводлива празнина долги приближно еден метар изработени од ниобиум со висока чистота, кои ги возат електроните со електромагнетни високофреквентни полиња генерирани во нив. Околу 20.000 од нив се планирани за Тесла.
Сепак, забрзувачот е наменет да служи и за понатамошна цел: Операторите сакаат да го користат високиот квалитет на електронскиот сноп за слободен електронски ласер (FEL) кој работи во претходно недостапните спектрални опсези надвор од УВ-регионот. Со прелиминарната верзија во тест објектот, ласерските светлосни трепкања во вакуумскиот ултравиолетово на 109 нанометри веќе беа генерирани во февруари 2000 година - светски рекорд. Во меѓувреме, брановата должина може да варира помеѓу 80 и 180 нанометри со користење на енергијата на електроните, а максималното можно засилување (сатурација) на FEL беше достигнато на 98,1 нанометар во септември 2001 година. Врвната моќност на светлосните импулси е во опсегот на гигават. Со понатамошно проширување, меката област на Х-зраци до шест нанометри исто така треба да се развие до 2004 година.
Досега, акцелераторите создадоа само синхротронско зрачење. Иако е често поинтензивна и пократка бранова од нормалната светлина, таа не е кохерентна: за разлика од ласерското зрачење, фотоните не осцилираат унисоно и покриваат континуиран енергетски спектар наместо сите да имаат иста енергија. Зрачењето на синхотрон обично се емитува од електрони кои циркулираат во синхотрон на кружна патека. Првично прилично непосакуван нус-производ, високо-енергетското зрачење сега најде многу важни апликации - од производство на фини структури во микроелектроника до истражување на тродимензионална структура на молекули до медицински прегледи, како што е репрезентацијата на коронарните садови.
Поради оваа причина, растенијата за нивната сопствена генерација се градеа долго време. Во најсовремените извори за синхротронско зрачење како што е Беси Втори во Берлин или Европскиот објект за зрачење на синхотрон (ESRF) во Гренобл, можно е да се зголеми сјајот (брилијантноста) до 10 000 пати. За да го направите ова, електроните се принудени на тек на слалом со помош на периодични магнетни структури - таканаречени повласти. Тие потоа испраќаат во комплет електромагнетно зрачење во правец на летот, чија бранова должина зависи од нивната кинетичка енергија и јачината на магнетното поле.
Ласери со слободни електрони, од кои веќе има неколку десетици ширум светот (вклучително и во Центарот за истражување Росендорф, Техничкиот универзитет во Дармштад и Универзитетот во Дортмунд), овозможуваат понатамошно значително зголемување на сјајноста. И овде пакетите електрони се испраќаат преку благосостојби. Сепак, тие се многу покомпактни отколку во прстенот за складирање на синхотронско зрачење и генерираните импулси на светлина се околу илјада пати пократки и десет илјади пати поинтензивни. Како и кај ласерите, импулсите исто така се состојат од кохерентна светлина: фотоните осцилираат едногласно, додека во нормалното зрачење на синхотронот тие се движат на нерегуларен начин.
Со цел да се постигне кохерентност, повеќето FEL во моментов работат - како класичните ласери - користат оптички резонатор со систем за огледало во кој полето на светлината се рефлектира неколку пати и понатаму се засилува со секој нов пакет електрони. Principleон Меди - денес на Универзитетот Хаваи во Хонолулу - го предложи овој принцип во својата дисертација на Универзитетот Стенфорд во Калифорнија во 1970 година и го спроведе таму во 1977 година со неговите колеги. Пред да биде пуштен во употреба објектот за тестирање на Тесла, најкратката бранова должина постигната на овој начин (во Дурам, Северна Каролина, со ФЕЛ од Новосибирск) во ултравиолетовите зраци беше 193,7 нанометри; сега се 189 нанометри (Европски проект ФЕЛ на Елетра во Трст, Италија).
Ако сакате да одите до уште пократки бранови должини, треба да направите без повеќе поминувања со помош на огледала, бидејќи рентген-зраците со краток бран не можат да се рефлектираат на соодветен начин. За многу години се чинеше невозможно да се изгради FEL за секторот за Х-зраци.
Но, уште во 1980 година, Анатолиј Кондратенко и Евгени Салдин покажаа излез. Според ова, електроните во зракот мора да бидат распоредени толку редовно што нивното растојание одговара на брановата должина на емитуваното зрачење. Потоа, тие ја засилуваат амплитудата на светлосниот бран на кохерентен начин и на тој начин создаваат ласерски ефект само со еден премин на зракот низ долг амортизер; оптички резонатор за постепено засилување преку неколку додавања повеќе не е потребен.
Само-зајакнувачка лавина на зрачење
Се покажа дека првично нарушен електронски зрак, со доволен интензитет, може да добие таква редовна модулација на густина преку интеракција со зрачењето на ундулаторот што самото го генерира: колку е посилен електромагнетниот бран, толку е поефикасна стимулацијата и кохерентниот бран расте како лавина. Овој ефект станува само-засилена спонтана емисија (самозасилена спонтана емисија, Саше) наречен.
Принципот Сасе беше демонстриран уште во 1984 година во лабораторијата Лоренс Ливермор. ФЕЛ врз основа на ова во инфрацрвениот опсег е изграден во Лос Аламос во 1998 година. Во 2000 година, Напредниот извор на фотони на Националната лабораторија во Аргона напредуваше во регионот на видлива светлина со бранови должини од 530 нанометри. Сега постигна ласерски ефект од 265 нанометри. Како што беше прикажано во Аргона и сега исто така со Дези, интензитетот на ласерската светлина експоненцијално се зголемува со должината на ампулаторот.
Истражувачите од Центарот за линеарно забрзување на Стенфорд во Калифорнија прво дизајнираа Sase-FEL во опсегот на Х-зраци. Досега, сепак, Дези се покажа како побрз во спроведувањето. Со својот FEL од 80 до 180 нанометри, тој во моментов е на врвот на светот.
За што е добро ова зрачење со краток бран FEL? Меѓу другото, нивниот голем сјај овозможува истражување на високо разредени примероци - на пример, атоми, молекули и јата („атомски јата“) во гасната фаза. Густината на зраците од овие честички е обично толку мала што експериментите се можни само со интензивна ласерска светлина. Покрај тоа, временскиот интервал помеѓу ласерските импулси може да се постави токму на пикосекунда (трилионити дел од секундата). Ова овозможува да се истражат основните процеси на хемиски реакции што се случуваат токму во оваа временска скала. Всушност, ласерската светлосна бранова должина од околу сто нанометри што се произведува во FEL на тест-тестот во Тесла, одговара точно на енергијата на врзување на надворешните електрони, што ги одредува хемиските реакции. Со уште пократки бранови должини до шест нанометри, кои треба да бидат достапни од 2004 година, тогаш може да се отстранат и внатрешни електрони, кои имаат енергија на јонизација карактеристични за секој елемент.
Друга важна апликација е испитување на биолошки примероци - како што се протеини, вируси и живи клетки. Тие се оштетуваат многу брзо со зрачење со краток бран - со микроскопија на Х-зраци по околу педесет пикосекунди и со структурна анализа дури и по десет до сто фемтосекунди (квадрилионити дел од секундата). FEL блиц од неколку фемосекунди нуди можност да се добие слика со висока резолуција пред оштетувањето од зрачење да го смени примерокот.
Тоа би било револуција за структурните и функционалните студии. На пример, внесувањето кислород на миоглобинот може да се „снима“. Овој мускулен протеин е сличен на црвениот крвен пигмент хемоглобин и го презема кислородот од него за да го снабди мускулното ткиво. Со цел да се добијат подвижни слики од овој процес, ќе бидат потребни експерименти со дифракција со висок интензитет на Х-зраци ласер - досега има само снимки што биле направени со изворот на синхотрон на ESRF во Гренобл.
За микроскопија на Х-зраци на живи клетки, зрачењето мора да има бранова должина помеѓу 2,3 и 4 нанометри, така што само слабо се апсорбира од обилната вода во цитоплазмата. Анализата на структурата на Х-зраци дури бара бранови должини под нанометарот; Ова е затоа што растојанијата помеѓу атомите на биомолекулата се наоѓаат во овој опсег, а ефектите на дифракција, врз кои се заснова структурната анализа, се јавуваат само ако брановата должина на употребеното зрачење е слично мала. Вакви истражувања се можни само со FEL од самата Тесла, чијашто рендгенска светлина би требало да достигне бранова должина до 0,1 нанометар благодарение на високата енергија дадена на електроните на долгата патека за забрзување.
Двојно поголема корист
За физичарите со висока енергија, Тесла би бил идеален пандан на Големиот судир на хадри (LHC) во Церн во Geneенева, во кој протоните и јони се пукаат едни на други наместо на електрони. Предвидено е LHC да започне со работа во 2006 година. Одлуката за проектот Тесла треба да се одржи најдоцна до крајот на 2003 година. Ако се покаже позитивно, управувањето со штит за тунелот може да започне шест месеци подоцна. Вкупно околу осум години изградба може да се очекува. Соодветно на тоа, треба да трае до 2010/11 година пред да се случат првите судири на подземните честички и рендгенските зраци од ласерот со слободни електрони да бидат насочени во форма на вентилатор во дваесет станици од надземната експериментална сала.
До тогаш, треба да се направат 7.000 лица-години - напор што може да се совлада само во меѓународната соработка. Затоа, не може целосно да се исклучи дека Тесла нема да се гради и покрај позитивните резултати од тековната подготвителна фаза. Ласерското светло од тест-објектот со забрзувач од 300 метри ќе биде достапно за експерименти од 2004 година наваму.