После долгих лет разработки и подготовки, учёные всё же запустили электроны через новый сверхпроводящий ускоритель в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, готовясь к запуску самого мощного в мире рентгеновского лазера на свободных электронах. Проект, известный как Linac Coherent Light Source II (LCLS-II), приближается к завершению, и в скором времени он откроет новую эру научных исследований на атомном уровне. Давайте рассмотрим, какие возможности предоставит нам этот новый объект.
«Глядя на то, как электроны проходят весь путь через LCLS-II, мы убеждаемся в том, что идея создать источник чрезвычайно мощного сверхпроводящего рентгеновского аппарата в SLAC сработает», — сказал Дэн Гоннелла, ведущий научный сотрудник SLAC и руководитель группы.
LCLS-II будет производить рентгеновские лучи, яркость которых превосходит в 10 000 раз существующую в SLAC лазерную установку на свободных электронах, известную как LCLS. Это обновление откроет новые, ранее недоступные возможности для научных исследований. Скорость генерации рентгеновских вспышек также значительно возрастет - с 120 вспышек в секунду до одного миллиона вспышек в секунду.
«С новым сверхпроводящим ускорителем мы сможем найти ответ не просто на несколько вопросов, мы даем ученым возможность ответить на невероятное количество вопросов», — сказал Энди Бенвелл, руководитель отдела разработки электроники в SLAC.
Одним из ключевых факторов, обеспечивающих эффективность работы LCLS-II, является его чрезвычайно низкая рабочая температура, сверхпроводящих ускорительных секций. Всего установка содержит около 300 таких секций, простирающихся на длину примерно трех футбольных полей.
LCLS-II предоставит исследователям возможность снимать подробные "видеоролики" о процессах атомного размера в природе. Эти кадры будут иметь гораздо более высокое разрешение, чем снимки, полученные с помощью ускорителя предыдущего поколения, и каждый такой "видеоролик" будет содержать в 8000 раз больше кадров в секунду.
«Отслеживание движения атомов и молекул в видеороликах в реальном времени откроет новые горизонты для рентгеновской науки и станет новаторским для экспериментов, проводимых по всему миру», — сказал Дэн Гоннелла, ведущий научный сотрудник SLAC и руководитель группы.
Однако, чтобы обеспечить бесперебойную работу ускорителя, необходимо минимизировать пыль. Даже небольшое количество пыли может нарушить работу ускорителя, поэтому все работы по сборке и обслуживанию проводятся в контролируемой среде.
«Конечно, частицы пыли могли проникнуть в наш новый сверхпроводящий ускоритель», — сказал Джон Шмерге, директор отдела ускорителей SLAC. «Команды построили ниобиевые полости на объектах, которые находятся в 1800 или 3000 милях от SLAC за несколько лет до того, как мы установили их здесь. Возможно, тогда полости были чистыми и хорошо работали, но их нужно упаковать и отправить через всю страну на грузовиках. Затем нам пришлось установить криомодули в наш туннель во время сезона пожаров в Калифорнии и сварить их вместе — все это может привести к попаданию пыли».
Несмотря на высокую готовность ускорителя, команда продолжит работать над его улучшением в следующем месяце. Иными словами, будут проводиться работы по его наладке, как и с любым сложным оборудованием.
Как объясняет Шмерге, без высококачественного луча эксперименты, на которые рассчитывали, могут оказаться невозможными. Это можно сравнить с ситуацией, когда вы пытаетесь использовать фонарик в темном лесу. Включив его, вы сможете видеть только небольшую область перед собой, но если вы сфокусируете луч, то сможете проникнуть глубже в лес, так как свет будет распространяться дальше и не рассеиваться.
«Если у вас есть хороший плотный электронный пучок, вы получаете лучшее рентгеновское излучение», — сказал Шмерге.
«Хотя предстоит еще много работы, прежде чем будут созданы рентгеновские снимки, команда испытывает значительное чувство выполненного долга», — добавил ученый SLAC Аксель Брахман.
«Производство пучка электронов высокой энергии дает нам ощущение, что все работает так, как мы надеялись», — сказал Брахман. «Мощный луч — это проблеск света в конце длинного туннеля нашего проекта».
Почему именно электроны используются для создания рентгеновских лучей, а не другие частицы, например, протоны? Ответ на этот вопрос довольно прост.
Во-первых, электроны легче других частиц. Их легче разогнать почти до скорости света, что делает установку более эффективной и позволяет исследователям генерировать быстрые и яркие рентгеновские лучи, необходимые для экспериментов в SLAC.
Во-вторых, электроны легче получить. Для запуска электронного лазерного луча LCLS-II электронная пушка должна выбить электроны из атомов. Именно поэтому установка называется рентгеновским лазером на свободных электронах, или XFEL.
