Fizica acceleratorului Lumina cu un viitor - spectrul științei
Fizica acceleratorului: lumină cu viitor
Acum un an și jumătate a provocat senzația ca unul dintre cele opt proiecte de la Hamburg pentru Expo din Hanovra: instalația de testare a acceleratorului de particule supraconductor Tesla (Accelerator liniar supraconductor TeV Energy) la Desy Physics Research Center din Hamburg. Tesla este conceput ca un așa-numit colizor liniar: electronii și antiparticulele acestora (pozitroni) ar trebui să atingă energii de la 500 la 800 miliarde de electroni volți pe o distanță de aproximativ cincisprezece kilometri și apoi să se ciocnească frontal. Se speră în primul rând că acest lucru va oferi noi cunoștințe fundamentale despre particulele elementare și interacțiunile lor.
În instalația de testare, cele mai importante componente sunt verificate în avans pe un traseu mult mai scurt. Acestea sunt în special rezonanții cavității supraconductoare cu o lungime de aproximativ un metru, realizate din niobiu de înaltă puritate, care conduc electronii cu câmpurile electromagnetice de înaltă frecvență generate în ele. Aproximativ 20.000 dintre acestea sunt planificate pentru Tesla.
Cu toate acestea, acceleratorul este, de asemenea, destinat să servească unui alt scop: operatorii doresc să utilizeze calitatea înaltă a fasciculului de electroni pentru un laser cu electroni liberi (FEL) care funcționează în intervalele spectrale inaccesibile anterior dincolo de regiunea UV. Cu versiunea preliminară în instalația de testare, lumina laserului luminează intermitent în ultraviolete cu vid la 109 nanometri, în februarie 2000 - un record mondial. Între timp, lungimea de undă poate varia între 80 și 180 nanometri folosind energia electronilor, iar amplificarea maximă (saturația) posibilă a FEL a fost atinsă la 98,1 nanometri în septembrie 2001. Puterea de vârf a impulsurilor de lumină este în intervalul de gigawați. Odată cu extinderea ulterioară, zona de raze X moi până la șase nanometri ar trebui, de asemenea, dezvoltată până în 2004.
Până în prezent, acceleratoarele au generat doar radiații sincrotrone. Deși este mult mai intensă și cu unde mai scurte decât lumina normală, nu este coerentă: spre deosebire de radiațiile laser, fotonii nu oscilează la unison și acoperă un spectru de energie continuă în loc să aibă aceeași energie. Radiația sincrotronului este de obicei emisă de electroni care se rotesc într-un sincrotron pe o cale circulară. Inițial, un produs secundar destul de nedorit, radiația cu energie ridicată a găsit acum multe aplicații importante - de la producerea de structuri fine în microelectronică până la cercetarea structurii tridimensionale a moleculelor la examinări medicale, cum ar fi reprezentarea vaselor coronare.
Din acest motiv, plantele pentru propria generație au fost construite de mult timp. În cele mai moderne surse de radiație sincrotronă, cum ar fi Bessy II din Berlin sau European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) din Grenoble, a fost posibilă creșterea luminozității (strălucirii) de până la 10.000 de ori. Pentru a face acest lucru, electronii sunt forțați pe un curs de slalom prin intermediul unor structuri magnetice periodice - așa-numiții undulatori. Apoi trimit radiații electromagnetice grupate în direcția zborului, a căror lungime de undă depinde de energia lor cinetică și de puterea câmpului magnetic.
Lasere cu electroni liberi, dintre care există deja câteva zeci la nivel mondial (inclusiv la Centrul de Cercetare Rossendorf, Universitatea Tehnică din Darmstadt și Universitatea din Dortmund), permit o creștere considerabilă a luminozității. Și aici, pachetele de electroni sunt trimise prin undulatoare. Cu toate acestea, acestea sunt mult mai compacte decât în inelul de stocare a radiației sincrotronei și impulsurile de lumină generate sunt de aproximativ o mie de ori mai scurte și de zece mii de ori mai intense. Ca și în cazul laserelor, impulsurile constau, de asemenea, din lumină coerentă: fotonii oscilează la unison, în timp ce în radiațiile sincrotrone normale se mișcă într-un mod dezordonat.
Pentru a obține coerență, cele mai multe FEL-uri operate în prezent - la fel ca laserele clasice - folosesc un rezonator optic cu un sistem de oglindă în care câmpul luminos este reflectat de mai multe ori și este amplificat în continuare de fiecare nou pachet de electroni. John Madey - acum la Universitatea Hawaii din Honolulu - a propus acest principiu în disertația sa de la Universitatea Stanford din California în 1970 și l-a pus în aplicare acolo în 1977 împreună cu colegii săi. Înainte ca instalația de testare Tesla să fie pusă în funcțiune, cea mai scurtă lungime de undă realizată în acest mod (în Durham, Carolina de Nord, cu un FEL de la Novosibirsk) în ultraviolet a fost de 193,7 nanometri; acum este de 189 nanometri (Proiectul European FEL la Elettra din Trieste, Italia).
Dacă doriți să mergeți la lungimi de undă și mai mici, trebuie să faceți fără treceri multiple folosind oglinzi, deoarece razele X cu unde scurte nu pot fi reflectate într-un mod adecvat. Mulți ani, prin urmare, părea imposibil să construim un FEL pentru sectorul de raze X.
Dar încă din 1980 Anatoly Kondratenko și Evgeni Saldin arătaseră o ieșire. În conformitate cu aceasta, electronii din fascicul trebuie să fie aranjați atât de regulat încât distanța lor să corespundă lungimii de undă a radiației emise. Apoi amplifică amplitudinea undei luminoase într-un mod coerent și astfel creează efectul laser cu o singură trecere a fasciculului printr-un ondulator lung; un rezonator optic pentru amplificare treptată pe mai multe treceri nu mai este necesar.
O avalanșă de radiații care se auto-întărește
S-a arătat că un fascicul de electroni dezordonat inițial, având o intensitate suficientă, poate obține o modulație a densității atât de regulată prin interacțiunea cu radiația ondulatorului pe care o generează singură: cu cât este mai puternică unda electromagnetică, cu atât este mai eficientă stimularea și unda coerentă crește ca o avalanșă. Acest efect devine emisie spontană autoamplificată (emisie spontană autoamplificată, Sase) numit.
Principiul Sase a fost demonstrat încă din 1984 la laboratorul Lawrence Livermore. Un FEL bazat pe aceasta în gama infraroșu a fost construit în Los Alamos în 1998. În 2000, Sursa avansată de fotoni a Laboratorului Național Argonne a avansat în regiunea luminii vizibile cu lungimi de undă de 530 nanometri. Acum a obținut un efect laser la 265 nanometri. Așa cum s-a arătat în Argonne și acum și cu Desy, intensitatea luminii laser crește exponențial cu lungimea ondulatorului.
Cercetătorii de la Stanford Linear Accelerator Center din California au proiectat mai întâi un Sase-FEL în gama de raze X. Până în prezent, însă, Desy s-a dovedit a fi mai rapid în implementare. Cu FEL-ul său de la 80 la 180 nanometri, este în prezent în partea de sus a lumii.
Pentru ce este bună această radiație FEL cu unde scurte? Printre altele, strălucirea lor ridicată permite investigarea probelor foarte diluate - de exemplu atomi, molecule și clustere („clustere atomice”) în faza gazoasă. Densitatea razelor provenite de la aceste particule este de obicei atât de mică încât experimentele sunt posibile numai cu lumină laser intensă. În plus, intervalul de timp dintre impulsurile laserului poate fi setat precis la o picosecundă (trilionime de secundă). Acest lucru permite cercetarea proceselor elementare ale reacțiilor chimice care au loc chiar în această scară de timp. De fapt, lungimea de undă a luminii laser de aproximativ o sută de nanometri care este produsă în prezent la FEL a instalației de testare Tesla corespunde exact energiei de legare a electronilor externi, care determină reacțiile chimice. Cu lungimi de undă și mai mici până la șase nanometri, care ar trebui să fie accesibile din 2004, pot fi apoi îndepărtați și electroni interni, care au energii de ionizare caracteristice fiecărui element.
O altă aplicație importantă este examinarea probelor biologice - cum ar fi proteinele, virușii și celulele vii. Acestea sunt deteriorate foarte repede de radiațiile cu unde scurte - cu microscopie cu raze X după aproximativ cincizeci de picosecunde și cu analize structurale chiar și după zece până la o sută de femtosecunde (cvadrilioimi de secundă). Un bliț FEL de doar câteva femtosecunde oferă șansa de a obține o imagine de înaltă rezoluție înainte ca deteriorarea radiației să schimbe eșantionul.
Aceasta ar fi o revoluție pentru studiile structurale și funcționale. De exemplu, absorbția de oxigen a mioglobinei ar putea fi „filmată”. Această proteină musculară este similară cu hemoglobina cu pigment roșu din sânge și preia oxigenul din aceasta pentru a furniza țesutul muscular. Pentru a obține imagini în mișcare ale acestui proces, ar fi necesare experimente de difracție cu un laser cu raze X de mare intensitate - până în prezent există doar instantanee realizate cu sursa de sincrotron la ESRF din Grenoble.
Cu toate acestea, pentru microscopia cu raze X pe celulele vii, radiația trebuie să aibă o lungime de undă cuprinsă între 2,3 și 4 nanometri, astfel încât să fie absorbită slab doar de apa abundentă din citoplasmă. Analiza structurii razelor X necesită chiar lungimi de undă sub un nanometru; Acest lucru se datorează faptului că distanțele dintre atomii unei biomolecule sunt în acest interval, iar efectele de difracție, pe care se bazează analiza structurală, apar numai dacă lungimea de undă a radiației utilizate este în mod similar mică. Astfel de examinări sunt posibile numai cu FEL de la Tesla însăși, a cărei lumină cu raze X ar trebui să atingă lungimi de undă de până la 0,1 nanometri datorită energiei mari date electronilor pe calea lungă de accelerație.
Beneficiu dublu
Pentru fizicienii cu energie ridicată, Tesla ar fi omologul ideal al Large Hadron Collider (LHC) de la Cern din Geneva, în care protonii și ionii sunt împușcați unul pe altul în loc de electroni. LHC este programat să intre în funcțiune în 2006. Decizia cu privire la proiectul Tesla urmează cel târziu la sfârșitul anului 2003. Dacă se va dovedi pozitiv, unitatea de scut pentru tunel ar putea începe șase luni mai târziu. Se poate aștepta un total de aproximativ opt ani de construcție. În consecință, ar trebui să dureze până în 2010/11 înainte ca primele coliziuni subterane de particule să aibă loc și razele X de la laserul cu electroni liberi să fie direcționate într-o formă de ventilator în cele douăzeci de stații ale sălii experimentale supraterane.
Până atunci, ar trebui să se facă 7.000 de ani-persoană - un efort care nu poate fi stăpânit decât în cooperarea internațională. Prin urmare, nu se poate exclude complet faptul că Tesla nu va fi construită în ciuda rezultatelor pozitive ale fazei pregătitoare actuale. Lumina laser de la instalația de testare cu un accelerator de 300 de metri va fi cu siguranță disponibilă pentru experimente din 2004.