Линейный ускоритель когерентного света в Калифорнии годами испускал рекордные рентгеновские импульсы, но теперь ему требуется остановка и модернизация. После возобновления работы он станет еще мощнее.
Иллюстрация электронного пучка, проходящего через ниобиевый резонатор — ключевой компонент рентгеновского лазера LCLS-II в SLAC. Национальная ускорительная лаборатория SLAC
Галерея «Клистрон» — бетонный коридор, усеянный равномерно расположенными металлическими цилиндрами, — достаточно длинный, чтобы выходить за пределы моего поля зрения. Но, стоя внутри, я понимаю, что под моими ногами скрывается нечто еще более впечатляющее.
Под галереей клистрона находится гигантская металлическая труба длиной 3,2 километра: источник когерентного света линейного ускорителя II (LCLS-II). Эта установка, расположенная в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии, генерирует рентгеновские импульсы, более мощные, чем те, которые производятся на любом другом объекте в мире, и я посещаю её, потому что она недавно побила один из своих собственных рекордов. Однако вскоре её самые мощные компоненты будут отключены для модернизации. После повторного включения, возможно, уже в 2027 году, её рентгеновские лучи будут иметь более чем вдвое большую энергию.
«Это будет как переход от едва заметного огонька к яркой лампочке», — говорит Джеймс Крайан из SLAC.
Назвать LCLS-II всего лишь мерцанием — это огромное преуменьшение. В 2024 году он произвел самый мощный рентгеновский импульс из когда-либо зарегистрированных. Он длился всего 440 миллиардных долей миллиардной секунды, но обладал мощностью почти в тераватт, что значительно превосходит среднюю годовую выработку атомной электростанции. Более того, в 2025 году LCLS-II сгенерировал 93 000 рентгеновских импульсов в секунду — рекорд для рентгеновского лазера.
Крайан говорит, что этот последний результат открывает исследователям беспрецедентные возможности для изучения поведения частиц внутри молекул после поглощения ими энергии. Это сравнимо с превращением черно-белой пленки с изображением их поведения в более четкое изображение, изобилующее цветами. Благодаря этому достижению и предстоящей модернизации, LCLS-II имеет шанс радикально улучшить наше понимание субатомного поведения светочувствительных систем, будь то фотосинтезирующие растения или кандидаты на роль более эффективных солнечных элементов.
LCLS-II достигает всего этого за счет ускорения электронов до скорости, близкой к скорости света — предельной космической скорости. Цилиндрические устройства, которые я видел, — клистроны, давшие название галерее клистронов, — отвечают за генерацию микроволн, обеспечивающих это ускорение. Достигнув достаточной скорости, электроны проходят через ряды из тысяч магнитов, полюса которых тщательно расположены таким образом, чтобы заставить движущиеся электроны колебаться. Это, в свою очередь, генерирует рентгеновские импульсы. Подобно медицинским рентгеновским лучам, эти импульсы затем можно использовать для получения изображений внутренней структуры материалов.
Смелая попытка разгадать самую сложную загадку, лежащую в основе физики.
Долгое время считалось невозможным выяснить, является ли гравитация — а следовательно, и само пространство-время — квантовой по своей природе. Но новые новаторские идеи могут помочь ответить на этот важнейший вопрос.
В день моего визита я осмотрел один из нескольких экспериментальных залов, где рентгеновские лучи завершают свой путь, сталкиваясь с молекулами. Я заглянул в некоторые камеры, где встречаются молекула и рентгеновский луч. Они похожи на что-то из футуристической подводной лодки: толстые металлические цилиндры с круглыми стеклянными окнами, тщательно скрепленные болтами, чтобы не пропускать посторонние молекулы воздуха, которые могли бы помешать эксперименту.
Крайан и его коллеги провели эксперимент накануне моего визита, исследуя движение протонов внутри молекул. По его словам, методы визуализации, отличные от рентгеновских лучей, с трудом позволяют точно определить движение протонов, однако точные детали этого процесса важны для разработки солнечных элементов.
Что произойдет с такими исследованиями после завершения модернизации LCLS-II до уровня «высокоэнергетического» и преобразования его в LCLS-II-HE? Возможности изучения поведения частиц и зарядов внутри молекул значительно возрастут, говорит Крайан. Однако достичь этого будет непросто.
ЦЕРН и Монблан, темная и замерзшая материя: Швейцария и Франция.
Приготовьтесь быть пораженными ЦЕРН, европейским центром физики элементарных частиц, где исследователи работают на знаменитом Большом адронном коллайдере, расположенном недалеко от очаровательного швейцарского города Женева на берегу озера.
Узнать больше
Джон Шмерге из SLAC говорит, что чем энергичнее становится электронный пучок, тем больше команде приходится беспокоиться даже о том, что несколько частиц могут отклониться от заданного пути. Он рассказывает, что однажды видел, как неточно управляемый пучок прожег дыру в приборе на другом объекте, поэтому права на ошибку практически нет. Юантао Дин из SLAC говорит, что все новые детали, которые команда будет устанавливать во время модернизации, были разработаны с учетом новой, более высокой мощности установки, но крайне важно будет постепенно увеличивать мощность и проверять, что все работает как положено. «Мы будем включать пучок и внимательно наблюдать за происходящим», — говорит он.
Он и его коллеги большую часть 2026 года посвятят масштабной инженерной работе по подготовке всех компонентов, что затем позволит им поэтапно завершить этот процесс в течение следующих одного-двух лет. Если все пойдет по плану, исследователи по всему миру смогут использовать LCLS-II-HE к 2030 году. Большую роль также сыграют диалоги между исследователями, использующими рентгеновские лучи, такими как Крайан, и теми, кто ими управляет, такими как Шмерге и Динг. «В конечном итоге, это мощный инструмент, и люди научатся им хорошо пользоваться», — говорит Шмерге. «Мы будем постоянно его совершенствовать».
Источник: www.newscientist.com
