Ученые включили самый яркий в мире рентгеновский аппарат

Самый яркий в мире рентгеновский аппарат произвел первые рекордные рентгеновские снимки. Они позволят исследователям наблюдать атомы, молекулы и химические реакции в непревзойденной детализации. Машина — рентгеновский лазер Linac Coherent Light Source II (LCLS-II) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии —завершила процесс модернизации, начавшийся более десяти лет назад. Генерируемые им рентгеновские лучи в среднем в 10 000 раз ярче, чем рентгеновские лучи, полученные исходной установкой LCLS.

LCLS-II производит рентгеновские лучи посредством сложного процесса, в котором участвуют лазеры, электроны, микроволны и магниты. Сначала исследователи используют ультрафиолетовый лазер, чтобы выбивать электроны из медной пластины, а затем ускорять их с помощью устройства, излучающего интенсивные микроволны. Затем электроны движутся через лабиринт, состоящий из тысяч магнитов. Это заставляет их покачиваться вперед и назад и испускать рентгеновские лучи предсказуемыми, хорошо контролируемыми вспышками. Исследователи направляют эти импульсы на объекты и материалы, чтобы получить представление об их внутренней структуре. Рентгеновские лучи в триллион триллионов раз ярче, чем те, которые используются в медицинских процедурах.

Рентгеновские лучи, которые производит LCLS-II, стали намного ярче, чем раньше, отчасти потому, что команда SLAC обновила металлическую трубку длиной 3 километра, по которой проходят электроны, с покрытием из ниобия. Этот металл может выдерживать воздействие беспрецедентно энергичных электронов при охлаждении примерно до -271°C.Чтобы металлическая трубка оставалась достаточно прохладной, команде пришлось установить под землей гигантскую криогенную установку.

«Были и другие инженерные проблемы: магниты лабиринта нужно было очень точно откалибровать, чтобы рентгеновские импульсы имели правильную форму», — говорит Майк Данн из SLAC. «Каждая часть этой системы должна была работать одновременно», — говорит он.

Он и его коллеги начали отправлять электроны через ниобиевый туннель в сентябре 2022 года. За последние 12 месяцев они калибровали каждую часть машины и постепенно наращивали ее мощность.

«Это было невероятное удовольствие — наблюдать за изобретением и внедрением этой новой разрушительной, но мощной техники наблюдения за природой в действии», — говорит Надя Зацепина из Университета Ла Троб в Австралии. «Вначале было так много скептиков, которые говорили, что этот шумный, нестабильный зверь — первый LCLS — никогда не принесет новых научных результатов. Теперь, более десяти лет спустя, использование этих рентгеновских лучей хорошо зарекомендовало себя и позволило нам наблюдать с беспрецедентными подробностями, как происходят биохимические процессы на атомном уровне».

Зацепина говорит, что LCLS-II позволит снимать «молекулярные фильмы» о процессах в биологии, таких как зрение млекопитающих, фотосинтез, связывание лекарств и регуляция генов.

Данн говорит, что способность машины производить не только яркие рентгеновские лучи, но и множество рентгеновских лучей за чрезвычайно короткое время позволит исследователям увидеть, что происходит внутри технологически важных материалов, таких как те, которые используются для искусственных фотосинтетических устройств или следующего поколения полупроводники. По его словам, даже более экзотические материалы, которые не до конца изучены на квантовом уровне – сверхпроводники или так называемые топологические фазы – могут быть демистифицированы, исследуя их с помощью рентгеновских лучей LCLS-II.

«Это очень широкий научный инструмент, подобный мощному микроскопу, который может изучать все: от квантовых материалов до биологических систем, от каталитической химии до атомной физики, и он будет изучать все это и многое, многое другое», — говорит Данн.