Крізь дірку від бублика Синхротрон, Журнал Популярна Механіка
Уявімо неможливе. Увійдемо із запаленим ліхтарем у темну кімнату, прив'яжемо до ліхтаря мотузку і почнемо сильно його розкручувати. Його світло спочатку вириватиме з темряви предмет за предметом, а потім ми розганятимемо ліхтар, і його світло спочатку зіллється в кільце, а потім… відірветься по дотичній, висвітливши миттєвим нестерпним спалахом потрібний для дослідження матеріал. Ви скажете: «Так не буває», — і будете праві.
Але тільки якщо йдеться про ліхтар. Якщо ж розганяти до навколосвітлових швидкостей в циклічному, схожому на величезний бублик, прискорювачі згустки електронів або протонів, можна отримати ефект, що нагадує описаний досвід. Іншими словами, виникне синхротронне випромінювання.
Поле йде у відрив
При прискоренні заряд починає випромінювати електромагнітні хвилі перпендикулярно до напрямку прискорення. При русі заряду по колу доцентрове прискорення завжди спрямоване до центру, і тому випромінювання йде по дотичній (перпендикулярно радіусу, по якому спрямоване прискорення). Чим швидше рухається заряд (або крутіше його поворот), тим більше прискорення, а значить, і жорсткіше випромінювання.
Через те, що на синхротронне випромінювання витрачається більшість енергії, що витрачається прискорювачем, можна було б вважати його шкідливим побічним ефектом. Але якщо побудувати «відвідний» вакуумний канал завдовжки кілька десятків метрів і направити пучок випромінювання на досліджувану мету, то надвисока інтенсивність і вузька, як промінь лазера, спрямованість перетворять його на чудовий інструмент для досліджень. Спалах синхротронного випромінювання триває менше мільярдної частки секунди і повторюється кожен періодобігу пучка електронів. Тобто з перервою у кілька мікросекунд. У світлі цього спалаху зручно вивчати інтенсивні процеси, що протікають дуже швидко. Наприклад, «фотографувати» те, що відбувається у вибухівці в момент детонації. Сьогодні синхротронне випромінювання застосовується при дослідженні матеріалів, у медицині та біотехнологіях.
Спочатку був рентген
Німецький фізик Конрад Рентген, який відкрив у 1895 році невідомі до того часу промені, назвав їх Хлучами, оскільки не розумів їхньої природи. Але скористатися явищем можна і не розуміючи, як воно відбувається. А як стало відразу зрозуміло, рентгенівські промені (так їх називають українською) дозволяють заглядати всередину твердих тіл. І не тільки всередину людського тіла, але, наприклад, рідкі кристали, напівпровідники і навіть складні біологічні молекули типу ДНК. Усередині людини можна побачити кістки скелета, а всередині неживих об'єктів, наприклад, розташування атомів. Тепер ми знаємо, що Хлучі - це електромагнітні хвилі, розташовані на шкалі довжин хвиль між ультрафіолетовим та гамма-випромінюванням.
Лієнар показав, що електрон, що рухається по круговій орбіті, інтенсивно випромінює електромагнітні хвилі, і навів формулу того, як частинка, що рухається по круговій траєкторії, втрачає енергію при випромінюванні.
Теоретики сказали своє слово, і до 40-х років минулого століття, коли розпочалися перші роботи на прискорювачах, про синхротронне випромінювання не згадували. А приблизно з 1940 року почалися експериментальні роботи з бетатронів. Перший з них на енергію 2,320 МеВ збудували у 1940—1942 роках Іллінойський університет (США) та компанія General Electric. А в 4044 м роках радянські вчені Ісаак Померанчук та Дмитро Іваненко вперше розробили теорію синхротронного випромінювання стосовно кільцевих прискорювачів частинок.Батьки-засновники, як їх називають вітчизняні послідовники, зазначали, що втрати на магнітогальмівне випромінювання в циклічному прискорювачі пропорційні четвертому ступені енергії, до якої прискорено електрони.
Око Гулівера
Якщо оптичний мікроскоп, з якого дослідники вивчали раніше дрібні деталі об'єктів, міг розміститися на лабораторному столі, а рентгенівські трубки вміщаються у невеликих кімнатах, то сучасні прискорювачі більше схожі великі фабрики. Джерела синхротронного випромінювання можна назвати «супермікроскопами»: з їхньою допомогою вдається розглядати деталі, недоступні не лише мікроскопам, а й багатьом іншим приладам. Так що для вторгнення до мікросвіту доводиться користуватися цілком «гуліверськими» приладами.
Властивості синхротронного випромінювання воістину унікальні. Воно дуже вузько сфокусоване: розчин конуса випромінювання - до 0,01 градуса, і завдяки цьому його можна "наводити" на мікроскопічні об'єкти; воно володіє широким спектром (містить хвилі різної довжини, і її легко міняти). Крім того, його інтенсивність є дуже високою. У найважливішому для досліджень та технологічного застосування діапазоні — рентгенівському — воно в сто тисяч разів більше і перевищує інтенсивність рентгенівських трубок.
Але щоб випромінювання отримало енергію, достатню для просвічування речовини наскрізь, частинка, що несе його, повинна рухатися зі швидкістю, близькою до швидкості світла. При цьому її дуже непросто загорнути та змусити рухатися по колу. У сучасних прискорювачах встановлені найпотужніші магніти, але і їм вдається відхилити частки, що летять з колосальними швидкостями, на невеликий кут. Тому всі джерела мають вигляд велосипедної шини розміром кілька сотень метрів. Наприклад, довжина такої «шини» у Європейському центрісинхротронного випромінювання (ESFR - European Synhrotron Radiation Facility) становить 844 м при радіусі близько 130 м.
Кільце синхротрона зазвичай обліплене віялом труб, на кінці яких розташовуються установки експериментаторів, що уловлюють випромінювання. Кожна з труб веде до оптичної частини пристрою, що виділяє з широкого спектра випромінювання потрібне вченим. Досліджуваний зразок знаходиться в експериментальній кабіні. Там же знаходяться і прилади, що реєструють минуле або відбите випромінювання, різні складні підтримки для обертання та переміщення зразка. Дослідники сидять у кабіні управління. Біологи, наприклад, використовують властивості випромінювання, щоб зняти процес скорочення м'язів та зрозуміти його, а хіміки досліджують фронт горіння полум'я.
Ліліпутівська техніка
Зараз у підмосковному Зеленограді споруджується синхротронне джерело для потреб електронної промисловості. З його допомогою технологи займатимуться «випалюванням» — приблизно так, як пацани прикрашають навесні дерева, концентруючи сонячні промені збільшувальним склом. Зрозуміло, що «випалюють» синхротронним випромінюванням не написи на кшталт «Ося та Кіса були тут», а заготівлі комп'ютерних чипів.
Основа процесу - фотолітографія, засвічування потрібних контурів на фоточутливій поверхні кремнієвої заготівлі. Для створення деталей розміром 0,25 мкм підходить ультрафіолетове світло з довжиною хвилі 0,248 мкм. Але комп'ютерної промисловості вже потрібні чіпи, «проводки» у яких мають бути ще тоншими — не більше 0,1 мкм. І синхротронне випромінювання з довжиною хвилі 13 нанометрів (жорсткий ультрафіолет) підходить для цього як інше.
За його допомогою можна "випалювати" не тільки надтонкі "проводки" мікросхем комп'ютерного чіпа, але, наприклад, використовуючи його як різецьтокарного верстата, створити електромоторчик розміром міліметр.
Якщо розмістити його в капсулі, забезпечити мікрофрезою і пустити по кровоносній судині, то він ефективно видаляє склеротичні бляшки, що зустрічаються на його шляху.
Поки що така «ліліпутська» техніка використовується лише в дослідних цілях, але перехід до промислового виробництва стане не менш важливою подією, ніж винахід транзистора.
Синхротронне випромінювання допомагає медикам ще й оперувати пухлини мозку. Особливо складні випадки, що трапляються в дитячій нейрохірургії (адже пацієнти дуже малі). При таких операціях промінь можна сфокусувати так на пухлини, щоб акуратно випалити її, не пошкодивши інших тканин.
У нагоді «чарівний промінь» синхротрона і вивчення розвитку найдрібнішого малярійного паразита Plasmodium falciparum в кров'яній клітині людини. Зрозуміти закономірності його життєвого циклу необхідно створення ефективної вакцини.
Співробітники Лоуренсівської національної лабораторії у Берклі (США) та фахівці Центру рентгенівської оптики відстежили, як жіноча особина комара впроваджує паразита в кров'яну клітину: харчуючись гемоглобіном, він розмножується, заражаючи інші клітини. Дослідникам вдалося розглянути, як гемоглобін переходить із цитоплазми червоних клітин у харчову вакуолю паразита при впливі ліків і без них.
Атоми анфас та у профіль
Промисловість усіх країн витрачає мільярди доларів на боротьбу з корозією металів, або, по-простому, із іржею. І щоб діяти осмислено та ефективно, треба в найдрібніших деталях розуміти, як іржавіє метал, як атоми газів повітря прикріплюються до його поверхні.
Група хіміків зі шведського Університету в Уппсалі та експерти компанії IBM вивчали поведінку двоатомних молекул азоту наповерхні нікелю та виявили, що молекули прикріплюються до поверхні «стоячи»: з нею взаємодіє лише один атом, а другий знаходиться над ним.
Насамперед вважалося, що взаємодія з поверхнею набагато слабша, ніж між атомами азоту в молекулі. Вчені вважали, що симетрична структура молекули якщо змінюється, то істотно. Експериментатори виявили, що на поверхні електронна структура атома сильно змінюється, а зв'язок між атомами в молекулі слабшає. І це може дати правильне рішення у захисті поверхні металів від іржі.
Не менш важливо розуміти, як поводяться атоми у молекулах білка. Співробітники університету Чикаго стежили за допомогою синхротронного випромінювання за тим, як перебудовується молекула міоглобіну (білка, виявленого в м'язах і відповідального за накопичення і перенесення кисню), як молекули кисню захоплюються і вивільняються з «пещероподібних» структур в молекулі.
Щоб полегшити спостереження, вчені підмінили кисень окисом вуглецю (СО): її молекула легше відокремлюється від міоглобіну під впливом рентгенівських променів. Під впливом першого лазерного імпульсу молекула З вивільнялася з молекули міоглобіну, а через деякий час по молекулі «стріляв» пучок рентгенівських променів синхротронного випромінювання. Експеримент повторювався багато разів зі збільшенням інтервалу між лазерним імпульсом і «пострілом» променів, і для «зйомки» була потрібна складна електроніка, здатна відстежувати прихід лазерних імпульсів завдовжки менше наносекунди.
Результати виглядали як мультфільм: кожен кадр був отриманий від короткого спалаху випромінювання, що виникало через кожну мілісекунду. Так вчені отримали "кіно" про поведінку молекули міоглобіну. Воно зняло, що через кілька наносекунд після початкувивільнення молекула СО, спочатку пов'язана з атомом заліза молекули міоглобіну, була вже на відстані чотирьох ангстремів від неї. При цьому молекула СО встигла ще й повернутися на 900 до своєї початкової позиції. З'ясувалося, що в цьому положенні молекула СО ніби застигає і може чекати сотні наносекунд, поки її не «захоплять» будь-які хімічні реакції, що йдуть у м'язах. Отже, вперше вдалося спостерігати розвиток молекулярно-біологічного процесу.