Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 178

Химики и биологи в порядке международного сотрудничества занимают очередь к таким установка на месяцы и годы вперёд, чтобы изучить различные процессы на молекулярном уровне.

Сложность в том, что большинство из них протекает за доли секунды, поэтому при других методах наблюдения банально не хватает экспозиции. С менее мощными источниками света (в широком смысле) удаётся обнаружить только конечные продукты реакции и лишь по косвенным данным выносить предположения о характере протекания промежуточных стадий.

Рентгеновский лазер на свободных электронах обладает достаточной светимостью, чтобы зафиксировать все стадии быстро протекающих реакций с фемтосекундной точностью. Появление такого инструмента в компактном исполнении окажет огромное влияние на развитие многих современных наук, включая молекулярную биологию.

Для создания настольного ускорителя с большей энергией пучка или компактного XFEL требуется решить практически один и тот же комплекс технических задач. Поэтому здесь одним выстрелом можно убить двух довольно крупных зайцев.

В установке, созданной под руководством профессора физики Майка Даунера (Mike Downer), генерация быстрых электронов происходит за счёт метода, известного как лазерно-плазменное ускорение.

В двух словах он сводится к созданию краткого, но интенсивного лазерного импульса, направленного в облако газа заданной плотности. Точно рассчитанной величиной импульса лазера газ ионизируется, переходя в состояние плазмы. При этом возникают неоднородности в её структуре: свободные электроны отделяются от ионного фона и ускоряются вдоль направления движения лазерного луча.

Авторы исследования поясняют этот процесс на примере аналогии с каплями воды. «Представьте, что на поверхность озера бросили моторную лодку с включённым двигателем, – пишет Даунер. – Сначала вода вспенится у винта и отдельные капли разгонятся до высоких скоростей. Затем пойдёт волна, увлекая за собой их большую часть. Дойдя до берега, они всё ещё будут обладать значительной энергией. Примерно это и происходит в нашей установке. Роль лодочного мотора выполняет лазер, а поверхность озера подобна газу, в котором импульс вызывает перечисленные изменения». Короткий лазерный импульс порождает в плазме волны плотности заряда. В этих кильватерных плазменных волнах и происходит ускорение электронов.

Метод лазерно-плазменного ускорения электронов был впервые предложен в конце семидесятых физиками Тосики Тадзимой и Джоном Доусоном. У нас это направление развивалось преимущественно в Институте физических проблем им. П.Л. Капицы Российской академии наук.

Первые опыты начались в конце восьмидесятых, но из-за ограничений лазерной техники того времени долго не удавалось преодолеть рубеж в 1 ГэВ даже на крупных и исключительно дорогих экспериментальных установках. Только спустя тридцать с лишним лет после первого описания метода его удалось воплотить в виде компактного ускорителя.

Группа из университета штата Техас в Остине использовала лазер петаваттного класса. Это позволило уменьшить требуемую плотность газа и на порядки уменьшить габариты всей системы. Ещё недавно такие лазеры были единичными, но сейчас уже производятся десятками в год и продаются многими компаниями, готовыми модифицировать их согласно требованиям заказчика.

Профессор Даунер считает, что его группе по силам увеличить мощность ускорителя в разы. Через пять лет коллектив учёных собирается представить модель с энергией пучка 10 ГэВ без существенного увеличения габаритов и даже планирует достичь рубежа в 20 ГэВ через десять лет, сохранив компактные размеры.

К оглавлению

Опубликовано20 июня 2013

Вот уже месяц длится своеобразная археологическая экспедиция, организованная сотрудниками знаменитой европейской лаборатории ЦЕРН. Правильней, впрочем, будет назвать её киберархеологической, потому что ищут не окаменелости доисторических животных, а цифровой объект всего-то примерно четвертьвековой давности: веб-страничку, первую в истории Веб. Вы спросите: как можно было потерять такую реликвию? Да точно так же, как нынче ежесуточно мы теряем миллионы документов, хранящихся в Сети.