Фрагмент документа "ОБ УЧАСТИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ В ПРОЕКТЕ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ И ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТАНОВКИ ЕВРОПЕЙСКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ".
3. Наука и международные условия в области
рентгеновского лазера на свободных электронах
Все естественные науки могут пользоваться выгодами от
использования фотонов (световых волн) с различной длиной волны для
исследования явлений природы. Применение инфракрасных, видимых и
ближних ультрафиолетовых лучей было революционизировано благодаря
изобретению газовых и твердотельных лазеров, обладающих свойствами
высокой яркости, пространственной когерентности, и (в самые последние
десятилетия) получению сверхкоротких импульсов длительностью от
нескольких фемтосекунд и менее (1 фемтосекунда или 1 фс равна одной
миллиардной миллионной доли секунды; за это время свет проходит
расстояние в 0,3 мкм). Эта временная шкала имеет особую важность,
поскольку атомы в молекулах и твердых веществах колеблются около
своего равновесного положения с типовыми периодами нескольких сотен
фемтосекунд, и в целом движения атомов при перестройке их положений в
химических реакциях или фазовые трансформации также оказываются в этой
временной шкале.
В диапазоне длин волн ультрафиолетовых, мягких и жестких
рентгеновских лучей был достигнут значительный прогресс благодаря
эксплуатации синхротронной радиации, яркой эмиссии электронами или
позитронами, вращающимися в кольцевом ускорителе. Однако синхротронное
излучение намного менее яркое, чем мощный лазер, имеет очень
ограниченную степень пространственной когерентности и обычно выдает
импульсы длительностью равные 30 тыс. фс. Целью современных проектов
реализации рентгеновских лазеров на свободных электронах является
распространение научно-технической революции, совершенной лазерами в
диапазоне видимых лучей, на диапазон рентгеновских лучей, обеспечивая
пространственные когерентные импульсы длительностью менее 100 фс при
пиковой мощности многих ГВт.
По мнению участников четырех международных семинаров,
организованных в период с октября 2005 г. по март 2006 г. в г. г.
Гамбурге, Париже, Копенгагене и близ г. Оксфорда, выдающиеся свойства
излучений Европейского РЛСЭ (когерентность, сверхвысокая яркость и
временная структура) и разработка соответствующих детекторов и
приборов позволят проводить совершенно новые эксперименты. Несколько
примеров таких экспериментов приведено ниже.
Когерентность может быть использована для получения
голографических и безлинзовых изображений в науке о материалах и
биологии. Детальные теоретические исследования и моделирование
предсказывают, что с помощью очень короткого и интенсивного
когерентного рентгеновского импульса, получаемого от Европейского
РЛСЭ, может быть зарегистрирована дифракционная картина от большой
молекулы, вируса или клетки без необходимости добиваться периодичности
кристаллической структуры. Это устранило бы труднопреодолимое место
для многих систем, вызывающих большой интерес, например, мембранных
белков, вирусов и вирусных геномов. Измерения сверхдискретной
рентгеновской дифракционной картины позволяют восстанавливать фазу и,
следовательно, определять структуру. Отдельные образцы, вероятно,
будут разрушены очень интенсивным рентгеновским импульсом, но могут
быть собраны трехмерные наборы данных, когда копии воспроизводимых
образцов будут подвергаться действию луча один за другим.
Высокую интенсивность можно также использовать для получения
очень высоких ионизированных состояний атомов, генерирования в
лабораториях тех состояний и процессов, которые существуют в
межзвездных газах. Вместе с ультракороткими длительностями импульсов
высокая интенсивность может быть использована в экспериментах типа
"накачка и проверка", где импульсы обычного лазера ("насос")
используются для запуска химической реакции или фазового перехода и
импульсов Европейского РЛСЭ ("проверка"), причем после каждого
импульса накачки следует определенная задержка (от 50 фс до единиц нс
или даже единиц мкс), обеспечивая "движение" атомных смещений и
перестройку химических связей. Благодаря этому могут быть оценены
каталитические механизмы в химических и биохимических реакциях,
детально исследованы быстрые реакции (например, горение), получены
изображения образований ядер упорядоченных фаз в фазовых переходах и
могут быть экспериментально исследованы до сих пор недоступные
состояния вещества - если импульс накачки достаточно мощный для
получения плазмы, то рентгеновский импульс может проникать в
высокоионизированную среду (непрозрачную для видимого света) и давать
информацию о распространении ударного фронта и распределении давлений,
а также об уравнении состояния и эволюции температуры во времени.
Как уже отмечалось, потенциальное воздействие научных прорывов
такого масштаба выходит за пределы фундаментальной науки. Полученные в
результате указанных научных прорывов технологии имеют существенную
важность для Европы. Было бы неразумным оставить конкурентные
преимущества в этой области Соединенным Штатам Америки, где активно
ведутся работы по проекту "Источник когерентного света от линейного
ускорителя" (LCLS) в г. Стенфорде, и Японии, где проект "Компактный
источник SASE Весна-8" (SCSS) получил полную финансовую поддержку для
запуска уже в 2006 году. Хотя осуществление этих проектов уже началось
и, возможно, будет завершено раньше проекта Европейского РЛСЭ,
принятие технологии сверхпроводникового ускорителя Европейского РЛСЭ
позволит получить 30 тыс. рентгеновских импульсов в секунду (а в
будущем, возможно, и даже больше) по сравнению со 120 для LCLS и 60
для SCSS. В дополнение к решающему техническому преимуществу -
снижению на два порядка времени, необходимого для проведения некоторых
экспериментов, приобретенный при работе с FLASH полезный опыт смог бы
значительно приблизить успешное научное использование Европейского
РЛСЭ. Если Европейский РЛСЭ будет сооружаться по графику, сравнимому с
графиком конкурирующих проектов, то он сможет занять лидирующую
позицию в этой области.
Европейская лаборатория в г. Гамбурге, продолжая обеспечивать
превосходство в физике и приложениях жесткого излучения рентгеновского
лазера на свободных электронах, сыграла бы дополняющую роль в
отношении других проектов в Европе, акцентируя внимание на мягкой
рентгеновской части спектра и обеспечивая выгоды прежде всего за счет
развития и совместного использования общих технологий.
|
Фрагмент документа "ОБ УЧАСТИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ В ПРОЕКТЕ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ И ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТАНОВКИ ЕВРОПЕЙСКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ".