Fyzika urýchľovača Svetlo s budúcnosťou - spektrum vedy
Fyzika akcelerátora: svetlo s budúcnosťou
Pred jeden a pol rokom to spôsobilo senzáciu ako jeden z ôsmich hamburských projektov pre výstavu Expo v Hannoveri: testovacie zariadenie pre plánovaný supravodivý urýchľovač častíc Tesla (TeV Energy Supravodivý lineárny urýchľovač) vo Výskumnom centre fyziky Desy v Hamburgu. Tesla je navrhnutá ako takzvaný lineárny urýchľovač: elektróny a ich antičastice (pozitróny) by mali dosiahnuť energiu 500 až 800 miliárd elektrónvoltov na vzdialenosť asi pätnásť kilometrov a potom by mali čelne naraziť. Primárne sa očakáva, že to poskytne základné nové poznatky o elementárnych časticiach a ich interakciách.
V testovacom zariadení sa najdôležitejšie komponenty vopred skontrolujú na oveľa kratšej trase. Jedná sa najmä o približne meter dlhý supravodivé dutinové rezonátory vyrobené z vysoko čistého nióbu, ktoré poháňajú elektróny elektromagnetickými vysokofrekvenčnými poľami v nich generovanými. Z toho zhruba 20 000 je naplánovaných pre spoločnosť Tesla.
Avšak urýchľovač má slúžiť aj ďalšiemu účelu: Prevádzkovatelia chcú využiť vysokú kvalitu elektrónového lúča pre laser s voľnými elektrónmi (FEL), ktorý pracuje v predtým neprístupných spektrálnych rozsahoch mimo UV oblasť. S predbežnou verziou v testovacom zariadení boli vo februári 2000 vygenerované laserové svetelné záblesky vo vákuovom ultrafialovom žiarení pri 109 nanometroch - svetový rekord. Medzitým sa vlnová dĺžka môže meniť medzi 80 a 180 nanometrami pomocou energie elektrónov a maximálna možná amplifikácia (saturácia) FEL sa dosiahla na úrovni 98,1 nanometrov v septembri 2001. Špičkový výkon svetelných impulzov je v rozsahu gigawattov. S ďalšou expanziou by sa mala do roku 2004 vyvinúť aj oblasť mäkkých röntgenových lúčov až na šesť nanometrov.
Urýchľovače doteraz generovali iba synchrotrónové žiarenie. Aj keď je to oveľa intenzívnejšie a kratšie vlny ako bežné svetlo, nie je to koherentné: na rozdiel od laserového žiarenia fotóny nekmitajú unisono a nepokrývajú kontinuálne energetické spektrum namiesto toho, aby mali rovnakú energiu. Synchrotrónové žiarenie zvyčajne emitujú elektróny, ktoré cirkulujú v synchrotróne po kruhovej dráhe. Vysokoenergetické žiarenie, ktoré bolo pôvodne veľmi nežiaducim vedľajším produktom, si dnes našlo mnoho dôležitých aplikácií - od výroby jemných štruktúr v mikroelektronike cez výskum trojrozmernej štruktúry molekúl až po lekárske vyšetrenia, ako je znázornenie koronárnych ciev.
Z tohto dôvodu sa rastliny pre vlastnú generáciu budovali už dlho. V najmodernejších zdrojoch synchrotrónového žiarenia, ako sú Bessy II v Berlíne alebo Európske zariadenie pre synchrotrónové žiarenie (ESRF) v Grenobli, bolo možné zvýšiť svietivosť (brilanciu) až 10 000-krát. Za týmto účelom sú elektróny tlačené na slalomovú dráhu pomocou periodických magnetických štruktúr - takzvaných undulatorov. Potom vysielajú zväzkové elektromagnetické žiarenie v smere letu, ktorého vlnová dĺžka závisí od ich kinetickej energie a sily magnetického poľa.
Voľné elektrónové lasery, ktorých je na svete už niekoľko desiatok (vrátane Výskumného centra v Rossendorfe, Technickej univerzity v Darmstadte a Univerzity v Dortmunde), umožňujú ďalšie značné zvýšenie svietivosti. Aj tu sa pakety elektrónov posielajú cez undulators. Sú však oveľa kompaktnejšie ako v úložnom kruhu synchrotrónového žiarenia a generované svetelné impulzy sú zhruba tisíckrát kratšie a desaťtisíckrát intenzívnejšie. Rovnako ako v prípade laserov, aj impulzy pozostávajú z koherentného svetla: fotóny kmitajú unisono, zatiaľ čo pri normálnom synchrotrónovom žiarení sa pohybujú neusporiadane.
Aby sa dosiahla koherencia, väčšina FEL, ktoré sú v súčasnosti v prevádzke - rovnako ako klasické lasery - používajú optický rezonátor so zrkadlovým systémom, v ktorom sa svetelné pole niekoľkokrát odráža a je ďalej zosilňované každým novým elektrónovým paketom. John Madey - teraz na Havajskej univerzite v Honolulu - navrhol tento princíp vo svojej dizertačnej práci na Stanfordskej univerzite v Kalifornii v roku 1970 a implementoval ho tam v roku 1977 so svojimi kolegami. Pred uvedením testovacieho zariadenia Tesla do prevádzky bola najkratšia vlnová dĺžka dosiahnutá týmto spôsobom (v Durhame v Severnej Karolíne s FEL z Novosibirsku) v ultrafialovom žiarení 193,7 nanometrov; teraz je to 189 nanometrov (európsky projekt FEL v Elettre v talianskom Terste).
Ak chcete ísť na ešte kratšie vlnové dĺžky, musíte sa zaobísť bez viacnásobných prechodov pomocou zrkadiel, pretože krátkovlnné röntgenové lúče sa nedajú vhodným spôsobom odraziť. Po mnoho rokov sa preto zdalo nemožné vytvoriť FEL pre röntgenový sektor.
Ale už v roku 1980 ukázali Anatolij Kondratenko a Evgeni Saldin východisko. Podľa toho musia byť elektróny vo zväzku usporiadané tak pravidelne, aby ich rozstup zodpovedal vlnovej dĺžke emitovaného žiarenia. Potom koherentným spôsobom zosilňujú amplitúdu svetelnej vlny a vytvárajú tak laserový efekt iba s jedným prechodom lúča dlhým vlnovcom; optický rezonátor pre postupné zosilňovanie počas niekoľkých prechodov už nie je potrebný.
Samonosná lavína žiarenia
Ukázalo sa, že spočiatku neusporiadaný elektrónový lúč, ktorý má dostatočnú intenzitu, môže získať takú pravidelnú moduláciu hustoty prostredníctvom interakcie s vlnením vlnenia, ktoré sám generuje: čím silnejšia je elektromagnetická vlna, tým účinnejšia je stimulácia a koherentná vlna rastie ako lavína. Tento efekt sa stáva samočinne zosilňovanou spontánnou emisiou (samočinne zosilnená spontánna emisia, Zavolal Sase).
Princíp Sase bol demonštrovaný už v roku 1984 v laboratóriu Lawrence Livermore. Na základe toho bol v Los Alamos v roku 1998 postavený FEL založený na tomto infračervenom rozsahu. V roku 2000 pokročilý zdroj fotónov Národného laboratória v Argonne postúpil do oblasti viditeľného svetla s vlnovými dĺžkami 530 nanometrov. Teraz dosiahla laserový efekt pri 265 nanometroch. Ako sa ukázalo v Argonne a teraz aj v prípade Desy, intenzita laserového svetla rastie exponenciálne s dĺžkou undulátora.
Vedci v Stanford Linear Accelerator Center v Kalifornii najskôr navrhli Sase-FEL v oblasti röntgenových lúčov. Zatiaľ sa však ukázalo, že Desy je v implementácii rýchlejší. So svojím FEL pri 80 až 180 nanometroch je v súčasnosti na vrchole sveta.
Na čo je dobré toto krátkovlnné žiarenie FEL? Okrem iného ich vysoká brilantnosť umožňuje skúmanie vysoko zriedených vzoriek - napríklad atómov, molekúl a zhlukov („atómové zhluky“) v plynnej fáze. Hustota lúčov z týchto častíc je zvyčajne taká nízka, že experimenty sú možné iba s intenzívnym laserovým svetlom. Okrem toho je možné časový interval medzi laserovými impulzmi nastaviť presne na pikosekundu (bilióntinu sekundy). Týmto spôsobom je možné skúmať základné procesy chemických reakcií, ktoré prebiehajú v tomto veľmi časovom meradle. V skutočnosti vlnová dĺžka laserového svetla okolo sto nanometrov, ktorá sa v súčasnosti vyrába na FEL testovacieho zariadenia Tesla, presne zodpovedá väzbovej energii vonkajších elektrónov, ktorá určuje chemické reakcie. S ešte kratšími vlnovými dĺžkami do šiestich nanometrov, ktoré by mali byť prístupné od roku 2004, je možné potom tiež odstrániť vnútorné elektróny, ktoré majú ionizačné energie charakteristické pre každý prvok.
Ďalšou dôležitou aplikáciou je vyšetrenie biologických vzoriek - ako sú proteíny, vírusy a živé bunky. Veľmi rýchlo sú poškodené krátkovlnným žiarením - röntgenovou mikroskopiou po asi päťdesiatich pikosekundách a štrukturálnou analýzou dokonca po desiatich až sto femtosekundách (kvadrilióntinách sekundy). FEL záblesk niekoľkých femtosekúnd ponúka možnosť získať obraz s vysokým rozlíšením skôr, ako žiarenie zmení vzorku.
To by bola revolúcia pre štrukturálne a funkčné štúdie. Napríklad by sa mohla „filmovať“ absorpcia kyslíka myoglobínom. Tento svalový proteín je podobný červenému krvnému pigmentu hemoglobínu a prijíma z neho kyslík, aby dodával svalové tkanivo. Na získanie pohyblivých obrazov tohto procesu by boli potrebné difrakčné experimenty s vysoko intenzívnym röntgenovým laserom - zatiaľ existujú iba snímky, ktoré boli urobené so zdrojom synchrotrónu na ESRF v Grenobli.
Pre röntgenovú mikroskopiu na živých bunkách však musí mať žiarenie vlnovú dĺžku medzi 2,3 a 4 nanometrami, aby bolo absorbované prebytočnou vodou v cytoplazme iba slabo. Röntgenová štruktúrna analýza dokonca vyžaduje vlnové dĺžky pod nanometrom; Je to preto, že vzdialenosti medzi atómami biomolekuly sú v tomto rozmedzí a difrakčné účinky, na ktorých je založená štrukturálna analýza, sa vyskytujú iba vtedy, keď je vlnová dĺžka použitého žiarenia podobne malá. Takéto výskumy sú možné iba s FEL od samotnej Tesly, ktorej röntgenové svetlo má dosahovať vlnové dĺžky až 0,1 nanometra vďaka vysokej energii poskytovanej elektrónom na dlhej dráhe akcelerácie.
Zdvojnásobte výhodu
Pre vysokoenergetických fyzikov by bola Tesla ideálnym náprotivkom Veľkého hadrónového urýchľovača (LHC) v Cerne v Ženeve, v ktorom sú namiesto elektrónov strieľané na seba protóny a ióny. LHC by mala byť uvedená do prevádzky v roku 2006. Rozhodnutie o projekte Tesla má padnúť najneskôr do konca roku 2003. Ak sa to ukáže pozitívne, štítová rúra pre tunel sa mohla začať o šesť mesiacov neskôr. Celkovo možno očakávať zhruba osem rokov výstavby. Podľa toho by malo trvať do roku 2010/11, kým dôjde k prvým kolíziám podzemných častíc a kým röntgenové lúče z laseru voľných elektrónov nebudú smerované v tvare vejára do dvadsiatich staníc nadzemnej experimentálnej haly.
Do tej doby by bolo treba urobiť 7 000 osoborokov - úsilie, ktoré je možné zvládnuť iba v rámci medzinárodnej spolupráce. Nemožno preto úplne vylúčiť, že Tesla sa nebude stavať napriek pozitívnym výsledkom súčasnej prípravnej fázy. Laserové svetlo z testovacieho zariadenia s 300-metrovým akcelerátorom bude určite k dispozícii pre experimenty od roku 2004.