Создан мощнейший рентгеновский лазер: миллион импульсов в секунду
LCLS-II — это так называемый жесткий рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL), инструмент, предназначенный для получения изображений микроскопических объектов в высоком разрешении и в сверхбыстрых временных масштабах. Его предшественник использовался для изображения вирусов, воссоздания условий в центре звезды, кипячения воды до состояния плазмы, более горячего, чем ядро Земли, создания максимально громкого звука и создания «алмазного дождя», который может идти на таких планетах, как Нептун.
Недавно завершенная вторая фаза прибора будет способна на гораздо большее. Рентгеновские импульсы от LCLS-II будут в среднем в 10 000 раз ярче, чем у его предшественника, и каждую секунду он будет испускать миллион таких импульсов — огромное увеличение по сравнению со 120 импульсами в секунду у оригинала.
«Всего за несколько часов LCLS-II произведет больше импульсов рентгеновского излучения, чем нынешний лазер сгенерировал за всю свою жизнь», — сказал Майк Данн, директор LCLS. «Данные, на сбор которых раньше могли уйти месяцы, теперь можно получить за считанные минуты. Это выведет рентгеновскую науку на новый уровень, проложив путь для целого ряда новых исследований и расширив наши возможности по разработке революционных технологий для решения некоторых из самых серьезных проблем, стоящих перед нашим обществом».
Как это работает
LCLS-II работает так же, как и первое поколение — электроны генерируются, а затем ускоряются вниз по длинной трубе, прежде чем они попадут в «ондулятор», который заставляет их колебаться, пока они не отбрасывают рентгеновские лучи из стороны в сторону. Но теперь каждый шаг этого процесса был обновлен.
Самая большая переделка — ускоритель посередине. Если раньше электроны направлялись по медной трубе при комнатной температуре, то в LCLS-II используется набор из 37 криомодулей для охлаждения оборудования до -271 °C, что чуть выше абсолютного нуля. Он делает это путем подачи жидкого гелиевого хладагента в модули от двух больших гелиевых криоустановок.
При таких низких температурах полости из металлического ниобия внутри модулей становятся сверхпроводящими, что позволяет электронам проходить с нулевым сопротивлением. Микроволны используются для питания колеблющегося электрического поля, которое резонирует внутри этих полостей, синхронизируясь с ритмом проходящих электронов и передавая им энергию. Эта добавленная энергия ускоряет электроны, так что к тому времени, когда они проходят через все 37 криомодулей, они движутся со скоростью, близкой к скорости света.
Затем электроны переходят в ондуляторы, которые используют сильные магниты, чтобы тянуть электроны из стороны в сторону, заставляя их колебаться и заставляя испускать рентгеновские лучи. Новые ондуляторы могут генерировать как «жесткие», так и «мягкие» рентгеновские лучи, которые могут быть полезны для разных целей. Жесткие рентгеновские лучи могут детально отображать отдельные атомы, а мягкие рентгеновские лучи могут показывать потоки энергии между атомами и молекулами.
Будущее установки
По словам команды, криомодули достигли своей низкой температуры в апреле, и теперь прибор готов к испытаниям с первыми электронами. Ожидается, что LCLS-II начнет производить рентгеновские лучи в конце этого года. Как только это произойдет, ожидается, что объект предоставит новое понимание химии, биологии, вычислений и квантовой механики.