Авторизация Регистрация

Запомнить меня
Забыли пароль?

Сброс пароля

Свежий номер уже доступен

Атомарное кино на лазер EuXFEL

Неподалеку от Гамбурга глубоко под землей постепенно вводят в эксплуатацию самый мощный в мире рентгеновский лазер на свободных электронах EuXFEL. Это международный проект, в котором участвуют 12 стран, в том числе Россия. Чтобы узнать больше о проекте, мы обратились к научному директору EuXFEL, профессору Университета ИТМО и Фрайбургского университета, почетному профессору Дрезденского университета Сергею Молодцову.

Текст: Роман Залотуха / Фото: EuXFEL

— В чем принципиальное отличие рентгеновского лазера от оптического?
— У рентгеновского лазера более высокая энергия излучаемых фотонов. Рентгеновские лучи глубоко проникают в твердые тела, позволяя получить информацию об их электронной и атомной структуре. Например, атомщики имеют дело с тяжелыми элементами: ураном, плутонием и др. Связи между электронами очень сильные, и их тяжело вырвать из атомов. Оптическим лазером вообще нельзя, а вот рентгеновским — можно. Это происходит так: фотон сталкивается с электроном и передает ему энергию. Если энергия фотона большая, то и электрон тоже получает большую энергию, и тогда он может преодолеть энергию связи с атомами. Получая информацию о связи электрона с атомом, мы узнаем больше о химических связях.
В принципе, рентгеновские лучи можно получать и на синхротронах, которых уже много в мире. Но химические реакции протекают быстро: 100 фемтосекунд, 10 фемтосекунд. Чтобы понять, насколько мало это время, представьте: свет примерно за одну секунду пролетает расстояние от Земли до Луны, за 1 фемтосекунду свет успевает пролететь только 0,3 мк. Рентгеновские лазеры на свободных электронах способны производить сверхкороткие импульсы — до 1 фемтосекунды. На синхротронах же импульс в тысячи раз длиннее. На них нельзя посмотреть, как протекают важные химические реакции, можно лишь увидеть, что было в начале реакции и в конце. Если вы хотите повлиять на реакцию, нужно исследовать все ее промежуточные стадии. Рентгеновские лазеры на свободных электронах создают «атомарные фильмы» о поведении атомов при быстротечных химических реакциях.
Еще одно отличие от синхротрона в том, что при одном сверхкоротком импульсе генерируется громадное количество фотонов. У EuXFEL — до 1012, на самых мощных синхротронах — на шесть порядков меньше.
— Какие проблемы науки вы намерены решать на EuXFEL?
— Есть задачи фундаментальной и прикладной науки. Если говорить о первом направлении, то мы сможем проверить законы квантовой механики. Их изучали на модели атома водорода — один электрон вращается вокруг ядра. Если схема такая простая, то квантовая механика работает. Но пока не доказано, что она работает для тяжелых элементов. В импульсе нашего лазера так много фотонов, что мы можем возбудить все их электроны, «ободрать» атом, оставить одно ядро и исследовать его поведение.
Или, например, теория относительности. Действительно ли электроны при высоких энергиях ведут себя так, как она предписывает? В импульсе нашего лазера электроны разгоняются до 17,5 ГэВ.
Кстати, конструкцию рентгеновских лазеров на свободных электронах предложил в 1980 году замечательный русский ученый Евгений Салдин. Сейчас он работает в Гамбурге и занимается вопросами, связанными с теорией относительности. Салдина недавно пригласили для доклада в Нобелевский комитет. И если Нобелевский комитет примет решение следующую премию по физике вручить за изобретение рентгеновских лазеров на свободных электронах, то вероятность того, что Салдин ее получит, очень высока.


«КОНСТРУКЦИЮ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛАЗЕРОВ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ ПРЕДЛОЖИЛ В 1980 ГОДУ ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЙ РУССКИЙ УЧЕНЫЙ ЕВГЕНИЙ САЛДИН. ЕГО НЕДАВНО ПРИГЛАСИЛИ ДЛЯ ДОКЛАДА В НОБЕЛЕВСКИЙ КОМИТЕТ. ВЕРОЯТНОСТЬ ТОГО, ЧТО САЛДИН ПОЛУЧИТ НОБЕЛЕВСКУЮ ПРЕМИЮ, ОЧЕНЬ ВЫСОКА»


Если говорить о прикладных задачах, то можно упомянуть исследования каталитических реакций. Или медицина: когда импульс EuXFEL попадает в биологическую молекулу, получается очень точное ее изображение. То же самое с вирусами, например ВИЧ. Структура его молекулы до сих пор не очень хорошо изучена. С помощью нашего лазера можно исследовать ее подробнее.
— Чем будет полезен лазер атомной промышленности?
— Например, радиоактивные отходы — от них нужно как-то избавляться. В поисках решения хорошо бы понять, как атомы в РАО связаны друг с другом. Возможно, тогда мы сможем разрушить эти связи и сделать отходы безопасными. Рентгеновский лазер поможет увидеть, как происходят химические реакции в облученном топливе, понять, как его химический состав меняется со временем.
— На какой стадии реализации проект EuXFEL?
— Мы работаем чуть больше года, но пока не все экспериментальные установки введены в эксплуатацию. Всего их шесть, сейчас функционируют четыре. Остальные будут введены в первой половине этого года.
— Зачем понадобилась международная кооперация?
— Лазер очень дорогой — 1,5 млрд евро. Пока ни одна страна не смогла построить такую установку в одиночку. В нашем проекте 12 партнеров. Первая по размеру инвестиций Германия, примерно 57 %. Россия — вторая, около 27 %. Большой вклад у Швеции, у остальных — 1–2 %. Представители всех 12 стран уже работают в штате EuXFEL. Больше всего ученых из Германии — приблизительно 40 %. После немцев по численности идут русские и итальянцы.
— В чем выгода стран-инвесторов?
— У партнеров приоритет при формировании программы экспериментов. Мы предоставляем выгодные условия для работы на EuXFEL. Ученые подают заявку, ее оценивает международный научный комитет, лучшие умы всего мира. Далее проект должен одобрить совет директоров. Если это произошло, эксперимент оплачивается из операционного бюджета: билеты, проживание ученых и все расходы на эксперимент. Это очень выгодно, ведь стоимость часа на EuXFEL — порядка 20 тыс. евро. Но мы оплачиваем проведение опытов только ученым из университетов, государственных и бюджетных научных учреждений. Частные компании платят сами.