Излучение гигантских синхротронов открывает тайны микромира

Электромагнитное излучение и его источники
Источники излучения рентгеновского спектра Все три устройства отличаются расположением магнитов, и поэтому из них исходит синхротронное излучение с разными свойствами

Представим себе невозможное. Войдем с зажженным фонарем в темную комнату, привяжем к фонарю веревку и начнем сильно его раскручивать. Его свет будет сначала вырывать из темноты предмет за предметом, а потом мы станем разгонять фонарь, и его свет сначала сольется в кольцо, а потом… оторвется по касательной, осветив мгновенной нестерпимой вспышкой нужный для исследования материал. Вы скажете: «Так не бывает», — и будете правы.

Но только если речь идет о фонаре. Если же разгонять до околосветовых скоростей в циклическом, похожем на огромный бублик, ускорителе сгустки электронов или протонов, то можно получить эффект, напоминающий описанный опыт. Другими словами — возникнет синхротронное излучение.

Поле уходит в отрыв

При ускорении заряд начинает излучать электромагнитные волны перпендикулярно направлению ускорения. При движении заряда по окружности центростремительное ускорение всегда направлено к центру, и потому излучение идет по касательной (перпендикулярно радиусу, по которому направлено ускорение). Чем быстрее движется заряд (или круче его поворот), тем больше ускорение, а значит, и жестче излучение.

Из-за того что на синхротронное излучение тратится большая часть энергии, расходуемая ускорителем, можно было бы считать его вредным побочным эффектом. Но если построить «отводной» вакуумный канал длиной в несколько десятков метров и направить пучок излучения на исследуемую цель, то сверхвысокая интенсивность и узкая, как луч лазера, направленность превратят его в замечательный инструмент для исследований. Вспышка синхротронного излучения длится меньше миллиардной доли секунды и повторяется каждый период обращения пучка электронов. То есть с перерывом в несколько микросекунд. В «свете» этой вспышки удобно изучать интенсивные процессы, протекающие очень быстро. Например, «фотографировать» происходящее во взрывчатке в момент детонации. Сегодня синхротронное излучение применяется при исследовании материалов, в медицине и биотехнологиях.

Вначале был рентген

Немецкий физик Конрад Рентген, открывший в 1895 году неизвестные до той поры лучи, назвал их Хлучами, поскольку не понимал их природы. Но пользоваться явлением можно и не понимая, как оно происходит. А как стало сразу понятно, рентгеновские лучи (так их называют по‑русски) позволяют заглядывать внутрь твердых тел. И не только внутрь человеческого тела, но, например, в жидкие кристаллы, полупроводники и даже сложные биологические молекулы типа ДНК. Внутри человека можно увидеть кости скелета, а внутри неодушевленных объектов — например, расположение атомов. Теперь мы знаем, что Хлучи — это электромагнитные волны, расположенные на шкале длин волн между ультрафиолетовым и гамма-излучением.

Синхротронное излучение (от инфракрасного до гамма-излучения с максимумом в рентгеновском диапазоне) было предсказано в конце XIX века, а получено в 1947 году. Предсказателем его существования считается французский физик Анри Лиенар, опубликовавший в 1898 году в журнале «Электрическое освещение» статью «Электрическое и магнитное поле, создаваемое точечным электрическим зарядом при произвольном движении».

Лиенар показал, что электрон, движущийся по круговой орбите, интенсивно излучает электромагнитные волны, и привел формулу того, как движущаяся по круговой траектории частица теряет энергию при излучении.

Теоретики сказали свое слово, и до 40х годов прошлого века, когда начались первые работы на ускорителях, о синхротронном излучении не вспоминали. А примерно с 1940 года начались экспериментальные работы по бетатронам. Первый из них на энергию 2,320 МэВ построили в 1940—1942 годах Иллинойский университет (США) и компания General Electric. А в 4044 м годах советские ученые Исаак Померанчук и Дмитрий Иваненко впервые разработали теорию синхротронного излучения применительно к кольцевым ускорителям частиц. Отцы-основатели, как их называют отечественные последователи, отмечали, что потери на магнитотормозное излучение в циклическом ускорителе пропорциональны четвертой степени энергии, до которой ускорены электроны.

А обнаружил излучение на американском синхротроне (потому и называется «синхротронным») молодой инженер Флойд Хабер. 27 апреля 1947 года он проводил профилактические работы и, сняв защитный слой со стеклянной камеры ускорителя, увидел исходящий из нее яркий голубоватый свет. Поэтому поначалу явление назвали «светящийся электрон». В том же году советский академик Виталий Гинзбург (получивший в октябре нынешнего года Нобелевскую премию по физике) высказал предложение о возможности практического использования синхротронного излучения.

Глаз Гулливера

Если оптический микроскоп, при помощи которого исследователи изучали раньше мелкие детали объектов, мог разместиться на лабораторном столе, а рентгеновские трубки умещаются в небольших комнатах, то современные ускорители больше похожи на крупные фабрики. Источники синхротронного излучения можно назвать «супермикроскопами»: с их помощью удается рассматривать детали, недоступные не только микроскопам, но и многим другим приборам. Так что для вторжения в микромир приходится пользоваться вполне «гулливерскими» приборами.

Свойства синхротронного излучения поистине уникальны. Оно очень узко сфокусировано: раствор конуса излучения — до 0,01 градуса, и благодаря этому его можно «наводить» на совершенно микроскопические объекты; оно обладает широким спектром (содержит волны самой разной длины, и ее легко менять). Кроме того, его интенсивность очень высока. В наиболее важном для исследований и технологического применения диапазоне — рентгеновском — оно в сто тысяч раз больше и превышает интенсивность рентгеновских трубок.

Но чтобы излучение получило энергию, достаточную для просвечивания вещества насквозь, несущая его частица должна двигаться со скоростью, близкой к скорости света. При этом ее очень непросто завернуть и заставить двигаться по кругу. В современных ускорителях установлены мощнейшие магниты, но и им удается отклонить летящие с колоссальными скоростями частицы на небольшой угол. Поэтому все источники имеют вид велосипедной шины размером в несколько сотен метров. Например, длина такой «шины» в Европейском центре синхротронного излучения (ESFR — European Synhrotron Radiation Facility) составляет 844 м при радиусе около 130 м.

Кольцо синхротрона обычно облеплено веером труб, на конце которых располагаются установки экспериментаторов, улавливающие излучение. Каждая из труб ведет к оптической части устройства, которая выделяет из широкого спектра излучения нужное ученым. Исследуемый образец располагается в экспериментальной кабине. Там же находятся и приборы, регистрирующие прошедшее или отраженное излучение, различные сложные поддержки для вращения и перемещения образца. Исследователи сидят в кабине управления. Биологи, например, используют свойства излучения, чтобы заснять процесс сокращения мышц и понять его, а химики исследуют фронт горения пламени.

Лилипутовская техника

Сейчас в подмосковном Зеленограде сооружается синхротронный источник для нужд электронной промышленности. С его помощью технологи станут заниматься «выжиганием» — примерно так, как пацаны разукрашивают весной деревяшки, концентрируя солнечные лучи увеличительными стеклами. Понятно, что «выжигают» синхротронным излучением не надписи вроде «Ося и Киса были здесь», а заготовки компьютерных чипов.

Основа процесса — фотолитография, засвечивание нужных очертаний на фоточувствительной поверхности кремниевой заготовки. Для создания деталей размером в 0,25 мкм подходит ультрафиолетовый свет с длиной волны 0,248 мкм. Но компьютерной промышленности уже требуются чипы, «проводки» в которых должны быть еще тоньше — не более 0,1 мкм. И синхротронное излучение с длиной волны 13 нанометров (жесткий ультрафиолет) подходит для этого как никакое другое.

При его помощи можно «выжигать» не только сверхтонкие «проводки» микросхем компьютерного чипа, но, например, используя его как резец токарного станка, создать электромоторчик размером в миллиметр.

Если разместить его в капсуле, снабдить микрофрезой и пустить по кровеносному сосуду, то он эффективно удаляет встречающиеся на его пути склеротические бляшки.

Пока такая «лилипутская» техника используется только в исследовательских целях, но переход к промышленному производству станет не менее важным событием, чем изобретение транзистора.

Синхротронное излучение помогает медикам еще и оперировать опухоли мозга. Особенно сложные случаи, встречающиеся в младенческой нейрохирургии (ведь пациенты очень малы). При таких операциях луч можно так сфокусировать на опухоли, чтобы аккуратно выжечь ее, не повредив других тканей.

Пригодился «волшебный луч» синхротрона и для изучения развития мельчайшего малярийного паразита Plasmodium falciparum в кровяной клетке человека. Понять закономерности его жизненного цикла нужно для создания эффективной вакцины.

Сотрудники Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли (США) и специалисты Центра рентгеновской оптики отследили, как женская особь комара внедряет паразита в кровяную клетку: питаясь гемоглобином, он размножается, заражая другие клетки. Исследователям удалось разглядеть, как гемоглобин переходит из цитоплазмы красных клеток в пищевую вакуолю паразита при воздействии лекарств и без них.

Атомы анфас и в профиль

Промышленность всех стран тратит миллиарды долларов на борьбу с коррозией металлов, или, по‑простому, с ржавчиной. И чтобы действовать осмысленно и эффективно, надо в мельчайших деталях понимать, как ржавеет металл, как атомы газов воздуха прикрепляются к его поверхности.

Группа химиков из шведского Университета в Уппсале и эксперты компании IBM изучали поведение двухатомных молекул азота на поверхности никеля и обнаружили, что молекулы прикрепляются к поверхности «стоя»: с ней взаимодействует только один атом, а второй находится над ним.

Прежде считалось, что взаимодействие с поверхностью гораздо слабее, чем между атомами азота в молекуле. Ученые полагали, что симметричная структура молекулы если и меняется, то не существенно. Экспериментаторы обнаружили, что у поверхности электронная структура атома сильно изменяется, а связь между атомами в молекуле слабеет. И это может дать правильное решение в защите поверхности металлов от ржавчины.

Не менее важно понимать, как ведут себя атомы в молекулах белка. Сотрудники Чикагского университета следили с помощью синхротронного излучения за тем, как перестраивается молекула миоглобина (белка, обнаруженного в мускулах и ответственного за накопление и перенос кислорода), как молекулы кислорода захватываются и высвобождаются из «пещерообразных» структур в молекуле.

Чтобы облегчить наблюдение, ученые подменили кислород окисью углерода (СО): ее молекула легче отделяется от миоглобина под воздействием рентгеновских лучей. Под воздействием первого лазерного импульса молекула СО высвобождалась из молекулы миоглобина, а через некоторое время по молекуле «стрелял» пучок рентгеновских лучей синхротронного излучения. Эксперимент повторялся много раз с увеличением интервала между лазерным импульсом и «выстрелом» лучей, и для «съемки» потребовалась сложная электроника, способная отслеживать приход лазерных импульсов длиной менее наносекунды.

Результаты выглядели как мультфильм: каждый кадр был получен от короткой вспышки излучения, возникавшей через каждую миллисекунду. Так ученые получили «кино» о поведении молекулы миоглобина. Оно запечатлело, что через несколько наносекунд после начала высвобождения молекула СО, первоначально связанная с атомом железа молекулы миоглобина, находилась уже на расстоянии четырех ангстремов от нее. При этом молекула СО успела еще и повернуться на 900 по отношению к своей начальной позиции. Выяснилось, что в этом положении молекула СО как бы застывает и может ждать сотни наносекунд, пока ее не «захватят» какие-либо химические реакции, идущие в мускулах. Таким образом, впервые удалось наблюдать развитие молекулярно-биологического процесса.

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2003).