2.5.5. Синхротронные источники, лазеры на свободных электронах, тератерцовые генераторы

Лазеры на свободных электронах [47, 48] позволяют сейчас получать чрезвычайно интенсивные потоки мощного излучения фемтосекундных длительностей широкого (от дальнего ультрафиолетового до мягкого рентгеновского) диапазона длин волн (рис. 2.60 [47, 48]).

Эти обстоятельства делают лазеры на свободных электронах перспективным инструментом для изучения сверхбыстрых химических и биохимических процессов с атомарным разрешением, для анализа биологических структур, для изучения кинетики физико-химических превращений в реальном масштабе времени, для изучения сильнонеидеальной и астрофизической плазмы и многого другого, где необходимо атомарное пространственное и высокое временное разрешение.

Пиковые мощности экспериментальных установок FLASH и XFEL, ФРГ; LCLS, APS, США, Spring-8, Япония, ESRF, Франция, SLS, Швейцария

Рис. 2.60. Пиковые мощности экспериментальных установок FLASH и XFEL, ФРГ; LCLS, APS, США, Spring-8, Япония, ESRF, Франция, SLS, Швейцария

Схема лазера на свободных электронах FLASH [47, 48]

Рис. 2.61. Схема лазера на свободных электронах FLASH [47, 48]

На рис. 2.61 приведена схема лазера на свободных электронах FLASH в DESY, ФРГ [47, 48].

Сегодня эта установка является чемпионом по яркости излучения, а запроектированная на 2013 г. яркость этого устройства на шесть-девять порядков превзойдет яркость большинства установок такого рода. При этом длительность импульса уменьшится с 50 до 10 фс при полной энергии импульса 10-50 мДж и длине волны до 6,5-60 нм. Напомним, что свет за 10 фс проходит расстояние всего около 3 мкм. Установка мощностью 5 ГВт, FLASH, длиной 260 м, состоит из сверхпроводящего линейного ускорителя электронов, сообщающего им кинетическую энергию 440-700 МэВ на электрон и ток 1-2 к А; разброс по энергии — порядка 0,1%. Этот поток электронов подается в 27-метровую ондуляторную секцию, где формируется электромагнитное излучение рентгеновского диапазона в форме последовательностей 800 импульсов с энергией до 50 мкДж (максимум 150 мкДж) в каждом, при частоте повторений 5-10 Гц и средней мощности излучения 100 мВт при максимальной яркости (1029 — 1030) фотонов/(с-мрад мм2 • 0,1 % BW) [48].

Обладая уникальными параметрами излучения, лазеры на свободных электронах позволяют проводить широкий спектр исследований в различных областях науки и техники, часто недоступных для иных средств генерации и диагностики.

Благодаря малой длине волны (сравнимой с размерами атомов) такое излучение пригодно для изучения структуры отдельных атомов и молекул, а малая длительность излучения дает возможность следить за кинетикой и механизмом химических и биологических реакций, осуществляя селективное возбуждение выбранных степеней свободы. В частности, это позволит изучать трехмерные биологические структуры, а также место и роль входящих в такие биомолекулы выбранных структурных элементов, что имеет большое значение для создания лекарств нового поколения, полимеров и конструирования сложных пространственных молекулярных структур.

В дальнейшем с применением этой техники удастся, по-видимому, проследить изменение электронного спектра, магнитных свойств, реакционной способности и иных физико-химических свойств кластеров при непрерывном изменении числа входящих в них атомов от единиц штук до твердотельных значений порядка 1023 атомов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >