European XFEL

European XFEL — это рентгеновский лазер на свободных электронах, расположенный в Германии, в земле Шлезвиг-Гольштейн. Он представляет собой крупнейший и самый мощный в мире источник рентгеновского излучения с длиной волны, достигающей 0,05 нанометра. European XFEL является международным научным проектом, в котором участвуют 12 стран, включая Россию. Установка предназначена для изучения структуры вещества на атомном и молекулярном уровнях с чрезвычайно высоким временным разрешением — в фемтосекундном диапазоне (10⁻¹⁵ секунды).

История создания

Предпосылки и концепция

Идея создания рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) возникла в начале 2000-х годов, когда стало ясно, что существующие синхротронные источники рентгеновского излучения не могут обеспечить необходимую яркость и когерентность для изучения быстропротекающих процессов в химии, биологии и физике. В 2003 году группа европейских учёных и инженеров предложила концепцию European XFEL как развитие технологии, впервые реализованной на американском Linac Coherent Light Source (LCLS) в Стэнфорде.

Международное сотрудничество

Проект был официально учреждён в 2009 году. В него вошли 12 стран-участниц: Германия, Россия, Франция, Великобритания, Италия, Испания, Швеция, Швейцария, Дания, Польша, Венгрия и Словакия. Россия участвовала в проекте через Министерство науки и высшего образования РФ, а также через ряд научных институтов, включая Институт ядерной физики СО РАН и Институт физики твёрдого тела РАН. Российская сторона внесла значительный вклад в строительство, в частности, в создание системы фокусировки пучка и криогенных магнитов.

Строительство и запуск

Строительство началось в 2009 году на территории кампуса DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) в Гамбурге и в соседнем городе Шенефельд. Основной тоннель ускорителя длиной 3,4 км был проложен на глубине от 6 до 38 метров под землёй. В 2017 году European XFEL был введён в эксплуатацию, а первые научные эксперименты начались в сентябре того же года. Официальное открытие состоялось 1 сентября 2017 года.

Устройство и принцип работы

Линейный ускоритель

Основой European XFEL является сверхпроводящий линейный ускоритель (LINAC), разгоняющий электроны до энергии 17,5 ГэВ. Ускоритель использует технологию сверхпроводящих резонаторов, работающих при температуре жидкого гелия (2 К). Это позволяет получать непрерывные или длинные импульсные пучки с высокой средней мощностью.

Ондуляторы

После ускорения электроны поступают в систему ондуляторов — магнитных устройств, заставляющих частицы двигаться по синусоидальной траектории. При таком движении электроны испускают рентгеновское излучение, которое, взаимодействуя с самим пучком, усиливается до состояния лазерной генерации. В European XFEL установлены три независимых ондуляторных секции, каждая из которых может генерировать излучение в разных диапазонах длин волн.

Система фокусировки и детекторы

Для управления пучком используются сверхпроводящие магниты, созданные при участии российских учёных. После генерации рентгеновского излучения оно направляется в экспериментальные станции, оснащённые детекторами. Основные детекторы — это 2D-детекторы на основе пиксельных матриц (например, AGIPD, LPD, DSSC), способные регистрировать отдельные фотоны с высокой скоростью (до 4,5 млн кадров в секунду).

Характеристики излучения

• Длина волны: от 0,05 нм до 0,4 нм (жёсткий и мягкий рентген).
• Длительность импульса: менее 100 фемтосекунд.
• Частота импульсов: до 27 000 импульсов в секунду (в режиме «burst»).
• Яркость: в миллиард раз выше, чем у лучших синхротронов третьего поколения.

Научные направления и эксперименты

Структурная биология

European XFEL позволяет изучать структуру биологических макромолекул, таких как белки и вирусы, без необходимости их кристаллизации. Метод «серийной фемтосекундной кристаллографии» (SFX) даёт возможность получать трёхмерные структуры белков с атомным разрешением, включая те, которые невозможно закристаллизовать традиционными методами. Это важно для разработки лекарств, в том числе против вирусов (например, SARS-CoV-2).

Химия и материаловедение

Лазер используется для наблюдения за химическими реакциями в реальном времени. С помощью фемтосекундных импульсов учёные могут «заморозить» промежуточные стадии реакций, изучая, как разрываются и образуются химические связи. В материаловедении European XFEL применяется для исследования структуры наноматериалов, катализаторов и новых полупроводников.

Физика конденсированного состояния

Установка позволяет изучать экзотические состояния вещества, такие как сверхпроводимость, магнетизм и квантовые фазовые переходы. С помощью рентгеновской дифракции и спектроскопии учёные исследуют динамику электронов и фононов в твёрдых телах.

Плазма и астрофизика

European XFEL используется для создания и изучения плотной горячей плазмы, аналогичной той, что существует в недрах звёзд и планет-гигантов. Это помогает проверять модели астрофизических процессов и разрабатывать технологии инерциального термоядерного синтеза.

Экспериментальные станции

На European XFEL функционирует несколько экспериментальных станций (beamlines), каждая из которых специализируется на определённом типе исследований:

• SPB/SFX — станция для серийной фемтосекундной кристаллографии и изучения биологических частиц.
• FXE — станция для фемтосекундной рентгеновской спектроскопии и изучения химической динамики.
• HED — станция для исследований в условиях высоких энергий и плотностей (High Energy Density).
• MID — станция для многоволновой аномальной дифракции и когерентной рентгеновской визуализации.
• SQS — станция для изучения малых квантовых систем и кластеров.
• SCS — станция для спектроскопии и когерентного рассеяния.

Участие России

Россия была одной из стран-основателей проекта и внесла существенный вклад в его реализацию. Российские учёные и инженеры участвовали в разработке и изготовлении сверхпроводящих магнитов для системы фокусировки пучка, а также в создании детекторов. В частности, Институт ядерной физики СО РАН (Новосибирск) поставил несколько десятков сверхпроводящих магнитов. Кроме того, российские исследователи активно используют European XFEL для своих экспериментов, особенно в области структурной биологии и физики конденсированного состояния.

В 2022 году, в связи с геополитической ситуацией, доступ российских учёных к European XFEL был ограничен. Однако на момент написания статьи (2024 год) официального выхода России из проекта не произошло, и российская сторона продолжает участвовать в управлении и финансировании, хотя практические возможности для экспериментов сократились.

Значение и перспективы

European XFEL является одним из ключевых инструментов современной науки. Он позволяет решать задачи, которые были недоступны для предыдущих поколений рентгеновских источников. В перспективе планируется модернизация ускорителя для увеличения энергии пучка до 20 ГэВ, а также создание новых экспериментальных станций. Проект также служит прототипом для будущих рентгеновских лазеров, таких как LCLS-II в США и Super-XFEL в Китае.

Критика и ограничения

Основные критические замечания в адрес European XFEL связаны с его высокой стоимостью (около 1,5 млрд евро) и сложностью эксплуатации. Некоторые учёные указывают на то, что значительная часть экспериментов могла бы быть выполнена на синхротронах четвёртого поколения, которые дешевле и доступнее. Кроме того, существуют опасения по поводу радиационной безопасности, хотя все нормы радиационной защиты строго соблюдаются.

Интересные факты

• European XFEL способен генерировать импульсы длительностью 100 фемтосекунд, что в 10 000 раз короче, чем время, за которое свет преодолевает расстояние от одного конца молекулы до другого.
• Ускоритель использует сверхпроводящие резонаторы, которые охлаждаются до температуры 2 К (−271 °C) — это холоднее, чем в открытом космосе.
• В 2020 году на European XFEL была впервые получена структура белка-шипа коронавируса SARS-CoV-2 с атомным разрешением, что помогло в разработке вакцин.

Источники

• European XFEL. Official website. — 2024.
• DESY. European XFEL: Technical Design Report. — 2006.
• Altarelli, M. et al. The European X-ray Free-Electron Laser: Technical Design Report. — 2007.
• Научно-технический отчёт Института ядерной физики СО РАН по проекту European XFEL. — 2015.
• Публикации в журналах Nature, Science, Nature Communications за 2017–2024 годы.