Российские ученые разработали алмазную оптику для сверхмощного лазера

07.05.2009



 

 Российские ученые разработали на базе алмазной оптики уникальный спектрометр для сверхмощного рентгеновского лазера XFEL, который позволит исследователям глубже проникнуть в тайны материи - в реальном времени изучать процессы образования и разрушения молекул и мгновенно регистрировать фазовые переходы в материале, происходящие под действием мощного импульсного излучения.

"Первая опытная призма - главный элемент для разложения в спектр падающего излучения - сделана из природного якутского алмаза. Мы показали, что в рентгеновском диапазоне тоже можно получить спектр с помощью призм, как это делается в оптическом диапазоне", - сказал в интервью РИА Новости ведущий автор разработки, старший научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Александр Турьянский.

Рентгеновский лазер XFEL - сооружение длиной более трех километров, которое планируется построить в Германии. Стоимость проекта превысит 1 миллиард евро, в нем участвуют 14 стран.

Россия станет второй после Германии по объему инвестиций в этот проект - планируется, что в 2009-2016 годах госкорпорация "Роснано" внесет в проект от имени России 250 миллионов евро.

Яркость будущего рентгеновского лазера будет превосходить существующие источники синхротронного излучения более чем в 100 миллионов раз, длительность рентгеновского импульса на нем будет составлять около 100 фемтосекунд (100 квадриллионных долей секунды, за это время свет проходит около 30 микрон).

Однако рекордная мощность лазера требует создания новых научных инструментов для работы с ним - например, монохроматор из германия, поставленный на пути прямого пучка, мгновенно испарится. Подобное может произойти и с исследуемым образцом.

Поэтому необходимы новые методы измерений, обеспечивающие получение информацию по единичному импульсу - до исчезновения объекта.

Для решения этой проблемы ученые ФИАН разработали рентгеновский спектрометр на базе призменной алмазной оптики, способный выдерживать огромные радиационные нагрузки сверхмощного рентгеновского импульса.

"Призма - классический дисперсионный элемент оптики для разложения в спектр падающего излучения. Долгое время считалось, что ее применение для анализа жесткого рентгеновского излучения бесперспективно. Нам удалось показать, что в рентгеновском диапазоне существует широкое спектральное окно, в котором с помощью призмы, также как в оптике, можно регистрировать спектр с высоким энергетическим разрешением", - сказал Турьянский.

Но для этого, добавил он, необходимо выполнить ряд требований к составу и структуре материала призмы, ее форме, а также к геометрии самой измерительной системы. "Наиболее перспективным материалом для призмы является алмаз", - отметил собеседник агентства.

"Алмаз состоит из углерода, он слабо поглощает рентгеновское излучение. Это наиболее плотный материал, содержащий углерод, что увеличивает преломляющие свойства. Алмаз имеет еще одно принципиально важное свойство - при охлаждении до температуры жидкого азота его теплопроводность примерно в четыре раза выше, чем у меди. Поэтому алмаз сможет выдерживать гигантские тепловые нагрузки. Он будет лишь немного нагреваться, но в промежутках между импульсами за счет высокой теплопроводности будет быстро остывать", - пояснил ученый.

Однако для изготовления спектрометра, предназначенного для рентгеновского лазера, необходимы большие алмазы, весом в несколько карат - поскольку преломляющая поверхность имеет длину более сантиметра.

Чтобы снизить стоимость прибора, ученые ФИАН разработали мозаичную конструкцию призмы из нескольких блоков, что позволило использовать алмазы меньшего размера и меньшей стоимости. Сейчас изготавливается мозаичная призма. Ее планируется испытать на источнике синхротронного излучения в Германии, чтобы продемонстрировать, что расчеты верны и разработчики действительно близки к ожидаемым параметрам.

Для реализации режима измерений по единичному импульсу совместно с научными организациями Зеленограда разрабатывается также уникальный координатно-чувствительный детектор на основе арсенида галлия, добавил Турьянский.

АСТРОФИЗИКА В ЛАБОРАТОРИИ Рентгеновский лазер по своей значимости для фундаментальной науки сопоставим с Большим адронным коллайдером. Но полученные с его помощью результаты будут иметь также огромное прикладное значение для развития новых технологий.

С одной стороны, он будет использоваться как мощное средство воздействия на материалы, а с другой, в сочетании с измерительными станциями, - как уникальный аналитический комплекс. Создавая в микрообъеме сверхвысокую плотность энергии и генерируя взрывные волны, рентгеновский лазер позволит воспроизводить ряд процессов, происходящих в космических объектах. Поэтому астрофизики надеются, что он положит начало "лабораторной" астрофизике.

Используя лазер, можно будет получать трехмерные изображения наноразмерных объектов, определяя положение отдельных атомов, и, в частности, исследовать непрепарированные биологические микрообъекты.

Одно из наиболее интересных направлений применения рентгеновского лазера - исследование кинетики быстро протекающих реакций в фемто- и пикосекундном диапазонах.

"Сейчас исследователь имеет в своем распоряжении объект до какого-либо импульсного воздействия и через большой промежуток времени после него. Что происходит непосредственно при быстром процессе, инициированным мощным импульсом излучения, какие структурные переходы возникают и какова их последовательность, как разрушаются и образуются химические связи, - мы практически ничего не знаем", - сказал Турьянский.

"Надеемся,- добавил он, - что создаваемый нами научный инструмент поможет ответить на эти принципиально важные вопросы".

Использовать рентгеновский лазер смогут исследователи из 14 стран-участниц пректа - Германии, России, Великобритании, Венгрии, Греции, Дании, Италии, Испании, Китая, Польши, Словакии, Франции, Швеции и Швейцарии. Строительство установки планируется завершить в 2014 году, а работать с ним ученые смогут уже в 2015 году. Аналогичные национальные проекты осуществляются в США и Японии.

В XFEL будет использоваться иной лазерный принцип генерации излучения. В классическом лазере когерентное лазерное излучение генерируется благодаря инверсии электронной населенности - в атомах рабочего тела электроны распределены "наоборот", более высокоэнергичных больше, чем низкоэнергичных. XFEL представляет собой ускоритель электронов со специальным устройством - ондулятором, состоящим из периодически расположенных магнитов, отклоняющих электроны от прямолинейной траектории.

Разогнанные до околосветовой скорости электроны в ондуляторе под действием магнитного поля отклоняются, испытывают ускорение и генерируют спонтанное синхротронное излучение, возникающего при ускоренном движении заряженных частиц на скоростях, близких к скорости света. Но благодаря большой длине ондулятора XFEL спонтанное излучение на определенной частоте начинает эффективно взаимодействовать со сгустком (банчем) электронов, проходящих через магнитную систему.

Из сгустка формируется периодическая электронная структура, которая начинает излучать когерентно. Одно из главных преимуществ лазера на свободных электронах - возможность перестройки частоты в очень широком спектральном диапазоне путем изменения энергии электронов - для XFEL от 1 до почти 50 ангстрем (1 нанометр равен 10 ангстремам).

РИА Новости

©РАН 2019