Сквозь дырку отбублика: синхротрон

Электромагнитное его источники и излучение
Источники излучения рентгеновского спектра Все три устройства отличаются размещением магнитов, и исходя из этого из них исходит синхротронное излучение с различными особенностями

Представим себе неосуществимое. Войдем с зажженным фонарем в чёрную помещение, привяжем к фонарю веревку и начнем очень сильно его раскручивать. Его свет будет сперва вырывать из темноты предмет за предметом, а позже мы начнём разгонять фонарь, и его свет сперва сольется в кольцо, а позже оторвется по касательной, осветив мгновенной нестерпимой вспышкой необходимый для изучения материал.

Вы сообщите: «Так не бывает», — и станете правы.

Но лишь в случае если речь заходит о фонаре. В случае если же разгонять до околосветовых скоростей в циклическом, похожем на громадный бублик, ускорителе сгустки электронов либо протонов, то возможно взять эффект, напоминающий обрисованный опыт. Вторыми словами — появится синхротронное излучение.

Поле уходит в отрыв

При ускорении заряд начинает излучать электромагнитные волны перпендикулярно направлению ускорения. При перемещении заряда по окружности центростремительное ускорение неизменно направлено к центру, и потому излучение идет по касательной (перпендикулярно радиусу, по которому направлено ускорение). Чем стремительнее движется заряд (либо круче его поворот), тем больше ускорение, соответственно, и тверже излучение.

Из-за того что на синхротронное излучение тратится большинство энергии, расходуемая ускорителем, возможно было бы вычислять его вредным побочным эффектом. Но в случае если выстроить «отводной» вакуумный канал длиной в пара десятков метров и направить пучок излучения на исследуемую цель, то очень высокая интенсивность и узкая, как луч лазера, направленность перевоплотят его в превосходный инструмент для изучений.

Вспышка синхротронного излучения продолжается меньше миллиардной доли секунды и повторяется любой период обращения пучка электронов. Другими словами с перерывом в пара микросекунд. В «свете» данной вспышки комфортно изучать интенсивные процессы, протекающие весьма скоро.

К примеру, «фотографировать» происходящее во взрывчатке в момент детонации. Сейчас синхротронное излучение используется при изучении материалов, в биотехнологиях и медицине.

Сначала был рентген

Германский физик Конрад Рентген, открывший в 1895 году малоизвестные до той поры лучи, назвал их Хлучами, потому, что не понимал их природы. Но пользоваться явлением возможно и не осознавая, как оно происходит. А как стало сходу ясно, рентгеновские лучи (так их именуют по-русски) разрешают заглядывать вовнутрь жёстких тел. И не только вовнутрь людской тела, но, к примеру, в жидкие кристаллы, полупроводники а также сложные биологические молекулы типа ДНК.

В человека возможно заметить кости скелета, а в неодушевленных объектов — к примеру, размещение атомов. Сейчас мы знаем, что Хлучи — это электромагнитные волны, расположенные на шкале длин волн между ультрафиолетовым и гамма-излучением.

Синхротронное излучение (от инфракрасного до гамма-излучения с максимумом в рентгеновском диапазоне) было предсказано в конце XIX века, а получено во второй половине 40-ых годов двадцатого века. Предсказателем его существования считается французский физик Анри Лиенар, разместивший в 1898 году в издании «Электрическое освещение» статью «Электрическое и магнитное поле, создаваемое точечным зарядом при произвольном перемещении».

Лиенар продемонстрировал, что электрон, движущийся по круговой орбите, интенсивно излучает электромагнитные волны, и привел формулу того, как движущаяся по круговой траектории частица теряет энергию при излучении.

Теоретики сообщили собственный слово, и до 40х годов прошлого века, в то время, когда начались первые работы на ускорителях, о синхротронном излучении не вспоминали. А приблизительно с 1940 года начались экспериментальные работы по бетатронам. Первый из них на энергию 2,320 МэВ выстроили в 1940—1942 годах Иллинойский университет (США) и компания General Electric.

А в 4044 м годах советские ученые Исаак Померанчук и Дмитрий Иваненко в первый раз создали теорию синхротронного излучения применительно к кольцевым ускорителям частиц. Отцы-основатели, как их именуют отечественные последователи, отмечали, что утраты на магнитотормозное излучение в циклическом ускорителе пропорциональны четвертой степени энергии, до которой ускорены электроны.

А нашёл излучение на американском синхротроне (потому и именуется «синхротронным») юный инженер Флойд Хабер. 27 апреля 1947 года он проводил меры по профилактике и, сняв защитный слой со стеклянной камеры ускорителя, заметил исходящий из нее броский голубоватый свет. Исходя из этого сначала явление назвали «светящийся электрон».

В том же году коммунистический академик Виталий Гинзбург (взявший в октябре нынешнего года Нобелевскую премию в области физики) высказал предложение о возможности применения на практике синхротронного излучения.

Глаз Гулливера

В случае если оптический микроскоп, при помощи которого исследователи изучали раньше небольшие подробности объектов, имел возможность разместиться на лабораторном столе, а рентгеновские трубки умещаются в маленьких помещениях, то современные ускорители больше похожи на большие фабрики. Источники синхротронного излучения возможно назвать «супермикроскопами»: с их помощью удается разглядывать подробности, недоступные не только микроскопам, но и многим вторым устройствам. Так что для вторжения в микромир приходится пользоваться в полной мере «гулливерскими» устройствами.

Свойства синхротронного излучения воистину неповторимы. Оно весьма узко сфокусировано: раствор конуса излучения — до 0,01 градуса, и именно поэтому его возможно «наводить» на совсем микроскопические объекты; оно владеет широким спектром (содержит волны самой различной длины, и ее легко поменять). Помимо этого, его интенсивность довольно большая.

В самый важном для технологического применения и исследований диапазоне — рентгеновском — оно в сто тысяч раза больше и превышает интенсивность рентгеновских трубок.

Но дабы излучение взяло энергию, достаточную для просвечивания вещества полностью, несущая его частица обязана двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Наряду с этим ее весьма непросто завернуть и вынудить двигаться по кругу. В современных ускорителях установлены замечательнейшие магниты, но и им удается отклонить летящие с большими скоростями частицы на маленький угол.

Исходя из этого все источники имеют вид велосипедной шины размером в пара сотен метров. К примеру, протяженность таковой «шины» в Европейском центре синхротронного излучения (ESFR — European Synhrotron Radiation Facility) образовывает 844 м при радиусе около 130 м.

Кольцо синхротрона в большинстве случаев облеплено веером труб, на финише которых находятся установки экспериментаторов, улавливающие излучение. Любая из труб ведет к оптической части устройства, которая выделяет из многих излучения необходимое ученым. Исследуемый пример находится в экспериментальной кабине. В том месте же находятся и устройства, регистрирующие прошедшее либо отраженное излучение, разные сложные помощи для перемещения и вращения примера.

Исследователи сидят в кабине управления. Биологи, к примеру, применяют свойства излучения, дабы заснять процесс сокращения мышц и осознать его, а химики исследуют фронт горения пламени.

Лилипутовская техника

на данный момент в подмосковном Зеленограде сооружается синхротронный источник для потребностей электронной индустрии. С его помощью технологи начнут заниматься «выжиганием» — приблизительно так, как мальчики разукрашивают весной деревяшки, концентрируя солнечные лучи увеличительными стеклами. Ясно, что «выжигают» синхротронным излучением не надписи наподобие «Киса и Ося были тут», а заготовки компьютерных чипов.

База процесса — фотолитография, засвечивание нужных очертаний на фоточувствительной поверхности кремниевой заготовки. Для подробностей размером в 0,25 мкм подходит ультрафиолетовый свет с длиной волны 0,248 мкм. Но компьютерной индустрии уже требуются чипы, «проводки» в которых должны быть еще уже — не более 0,1 мкм.

И синхротронное излучение с длиной волны 13 нанометров (твёрдый ультрафиолет) подходит для этого как никакое второе.

При его помощи возможно «выжигать» не только сверхтонкие «проводки» микросхем компьютерного чипа, но, к примеру, применяя его как резец токарного станка, создать электромоторчик размером в миллиметр.

В случае если разместить его в капсуле, снабдить микрофрезой и разрешить войти по кровеносному сосуду, то он действенно удаляет видящиеся на его пути склеротические бляшки.

До тех пор пока такая «лилипутская» техника употребляется лишь в исследовательских целях, но переход к промышленному производству станет не меньше ответственным событием, чем изобретение транзистора.

Синхротронное излучение оказывает помощь медикам еще и оперировать опухоли мозга. Особенно сложные случаи, видящиеся в младенческой нейрохирургии (так как больные малы). При таких операциях луч возможно так сфокусировать на опухоли, дабы бережно выжечь ее, не повредив вторых тканей.

Понадобился «чудесный луч» синхротрона и для изучения развития небольшого малярийного паразита Plasmodium falciparum в кровяной клетке человека. Осознать закономерности его жизненного цикла необходимо для действенной вакцины.

Сотрудники Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли (США) и эксперты Центра рентгеновской оптики отследили, как женская особь комара внедряет паразита в кровяную клетку: питаясь гемоглобином, он размножается, передавая другие клетки. Исследователям удалось рассмотреть, как гемоглобин переходит из цитоплазмы красных клеток в пищевую вакуолю паразита при действии лекарств и без них.

Атомы анфас и в профиль

Промышленность всех государств тратит миллиарды долларов на борьбу с коррозией металлов, либо, по-несложному, с ржавчиной. И дабы функционировать осмысленно и действенно, нужно в небольших подробностях осознавать, как ржавеет металл, как атомы газов воздуха прикрепляются к его поверхности.

Несколько химиков из шведского Университета в Уппсале и специалисты компании IBM изучали поведение двухатомных молекул азота на поверхности никеля и поняли, что молекулы прикрепляются к поверхности «стоя»: с ней взаимодействует лишь один атом, а второй будет над ним.

Прежде считалось, что сотрудничество с поверхностью значительно не сильный, чем между атомами азота в молекуле. Ученые полагали, что симметричная структура молекулы в случае если и изменяется, то не значительно. Экспериментаторы поняли, что у поверхности электронная структура атома очень сильно изменяется, а связь между атомами в молекуле слабеет.

И это может дать верное ответ в защите поверхности металлов от ржавчины.

Не менее важно понимать, как ведут себя атомы в молекулах белка. Сотрудники Университета Чикаго следили посредством синхротронного излучения за тем, как перестраивается молекула миоглобина (белка, найденного в мускулах и важного за перенос и накопление кислорода), как молекулы кислорода захватываются и высвобождаются из «пещерообразных» структур в молекуле.

Дабы уменьшить наблюдение, ученые подменили кислород окисью углерода (СО): ее молекула легче отделяется от миоглобина под действием рентгеновских лучей. Под действием первого лазерного импульса молекула СО высвобождалась из молекулы миоглобина, а через некое время по молекуле «стрелял» пучок рентгеновских лучей синхротронного излучения. Опыт повторялся неоднократно с повышением промежутка между выстрелом лучей и «лазерным» импульсом, и для «съемки» потребовалась сложная электроника, талантливая отслеживать приход лазерных импульсов длиной менее наносекунды.

Результаты смотрелись как мультфильм: любой кадр был взят от маленькой вспышки излучения, появлявшейся через каждую миллисекунду. Так ученые взяли «кино» о поведении молекулы миоглобина. Оно запечатлело, что через пара наносекунд по окончании начала высвобождения молекула СО, первоначально связанная с атомом железа молекулы миоглобина, пребывала уже на расстоянии четырех ангстремов от нее.

Наряду с этим молекула СО успела еще и повернуться на 900 по отношению к собственной начальной позиции. Стало известно, что в этом положении молекула СО как бы застывает и может ожидать много наносекунд, пока ее не «захватят» какие-либо химические реакции, идущие в мускулах. Так, в первый раз удалось замечать развитие молекулярно-биологического процесса.

Синхротроны строятся во всем мире

на данный момент в мире действует и строится более 50 источников. В Гренобле (Франция) с 1986 года трудится Европейский центр, созданный на взносы 12 государств-членов Евросоюза. В Российской Федерации изучения излучения деятельно проводились в Университете ядерной физики им. А.М.

Буккера под Новосибирском, на накопителях ВЭПП (от слов «встречные электрон-позитронные пучки»), а также в Физическом университете им. Лебедева. Четыре года назад в Центре синхротронных изучений РНЦ «Курчатовский университет» был открыт неповторимый синхротрон, строительство которого длилось восемь лет и обошлось в $76 млн.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№14, декабрь 2003).

Случайные записи:

• Ближе ксолнцу: слежка залюбимой звездой
• Как подружиться сбелым медведем, прыгнуть сэвереста испасти банкомат

Дырку ты от бублика получишь, а не Шарапова!

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Настольный синхротрон

  Японская компания создала синхротронный источник излучения так малого размера, что его возможно разместить на лабораторном столе. Синхротроны генерируют…

• Теоретики выбили из пластика гамма-лучи

  Физики под управлением Алексея Арефьева из Университета Техаса в Остине предложили новую схему для получения интенсивных пучков гамма-лучей. В…

• Золотые наночастицы помогут бороться с раком

  20010,0,3500, Золото может быть хорошим помощником при радиотерапии – особенно, если его направить прямиком к опухолевым клеткам. Раковую клетку можно…

• Изобретен рентгеновский микротомограф, работающий на нанотрубках

  Несколько экспертов из Северокаролинского университета в Чапел-Хилл и Университета штата Северная Каролина в Роли (оба — США) сконструировала действующий…