Знание-сила, 2000 №09

Кольца испускают излучение вообще-то в широком диапазоне длин волн – от инфракрасных до рентгеновских лучей. На практике, однако, физики не используют видимую часть спектра, поскольку есть очень хорошие перестраиваемые лазеры, даюшие еще более яркие пучки видимого света. Но для более коротких длин волн – ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи – конкурентов по яркости синхротронному излучению нет.

Резкий рост яркости излучения в последнем поколении накопительных колец был достигнут по нескольким причинам. Первая – это появление мощных и недорогих микропроцессоров. Их внедрение буквально во все элементы и подсистемы ускорителя позволяет очень эффективно управлять поведением пучка частиц. Операторам удается удерживать пучок толщиной с волос в пределах нескольких сотых долей его толщины. Именно такая точность в управлении пучком частиц и позволяет увеличить его яркость.

Другой ключевой фактор – использование приборов под названием «ондулятор». Это устройство немного изгибает путь электронов то в одну, то в другую сторону – много раз на длине в несколько метров. Каждая смена направления приводит к испусканию синхротронного излучения, отдельные волны накладываются друг на друга. Получается эффект, подобный лазеру: некоторые длины волн усиливаются и в результате интенсивность излучения резко растет.

Теперь на современных установках изучаются объекты и явления, которые были абсолютно недоступны пять-шесть лет назад, воплощаются десятки проектов по исследованию таких сложных процессов, как функционирование белков в живых организмах. Другие экспериментаторы реализуют сложные технологические процессы, третьи ищут ответы на научные загадки.

Познакомимся с несколькими примерами экспериментов: исследование малярийных паразитов, создание технологий для все более мелких транзисторов будущего, попытка понять, как работают поверхностные катализаторы, создание мгновенных «фотографий» живых тканей для понимания действия молекулы миоглобина.

Среди инфекционных болезней малярия занимает второе место после туберкулеза. По оценке Всемирной организации здравоохранения, каждый год от малярии гибнет до 2,7 миллионов человек, в основном детей. Эффективной вакцины нет, а сопротивляемость профилактическим лекарствам постоянно растет. В Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли источник синхротронного излучения используют для изучения жизненного цикла малярийного паразита. Женская особь комара внедряет его в кровяную клетку человека,'там он размножается и заражает другие кровяные клетки. Питается он гемоглобином.

Ученые пропускали пучок рентгеновских лучей через инфицированные кровяные клетки и получали увеличенное изображение. С его помощью они в подробностях наблюдали жизненный цикл паразита и воздействие на него различных лекарств. Исследователи использовали рентгеновские лучи с длиной волны 2,4 нанометра и получили разрешение, почти в десять раз лучшее, чем возможно на оптическом микроскопе. Кроме короткой длины волны, экспериментаторам помогала естественная контрастность при поглощении рентгеновских лучей. Это позволяло наблюдать крошечные структуры внутри инфицированной клетки и даже самого паразита. Можно было подробно следить за процессом его развития. Результаты исследований внесли существенный вклад в терапевтический подход к контролю над малярией.

Яркие пучки рентгеновских лучей могут помочь электронной индустрии. Сердцевина этого бизнеса, производящая продукцию на сотни миллиардов долларов каждый год, – создание микросхем-«чипов». Делают их достаточно сложным многоступенчатым путем, в процессе которого создают и связывают миллионы транзисторов, чтобы изготовить сложную электронную систему из серебра или кремния. Главное здесь – фотолитография, когда ультрафиолетовый свет создает нужные очертания на чувствительной поверхности кремниевой многослойной заготовки.

Длина волны используемого света определяет размер минимальных деталей, которые могут быть сделаны на заготовке, а значит, и плотность расположения транзисторов. В настоящее время детали размером в 0,25 микрон создаются ультрафиолетовым светом с длиной волны 0,248 микрон. Но промышленность уже планирует чипы для будущего с характерными деталями в 0,1 микрона или даже меньше. Единственная возможность получить сегодня такое жесткое излучение – это плазма, созданная лазером.