XFEL: гибрид микроскопа с ускорителем

Предположим, нам хочется запечатлеть какое-то быстрое событие, происходящее с маленькими частицами. Нет, даже не так – очень быстрое, происходящее с очень маленькими. Пожалуй, пара молекул нам подойдет. Химики, как правило, знают, что там было в качестве исходных веществ и что стало результатом реакции, не знают только, как именно этот результат получился. Возьмем в качестве примера гемоглобин. В учебниках написана чистая правда: его молекула устроена так, что захватывает молекулярный кислород, а затем отдает его по назначению – для дыхания клеток. Может вместо кислорода по ошибке захватить что-то непригодное для дыхания, вроде угарного газа, и потом уже не отдавать, превращаясь в бесполезный для организма балласт.

Известно, что немаленькая молекула, захватывая свою «цель», колеблется или, если угодно, совершает движения. А вот какие, в какой последовательности и как они связаны с конечным результатом – в точности неизвестно, их никто еще не мог рассмотреть достаточно детально и не торопясь. Аналогично обстоит дело со многими другими артефактами микромира – ситуаций, когда на них хочется поглядеть поближе, в современной науке очень много. Обычный оптический микроскоп имеет, к сожалению, принципиальное ограничение: все, что мы рассматриваем в него, должно быть много больше длины световой волны, иначе картинки не получится. Из-за этого, кстати, объекты молекулярных размеров и меньше не имеют даже цвета в привычном нам понимании.

Выходом является переход в другой диапазон электромагнитного излучения – смотреть на изучаемый предмет не в свете, но в рентгеновском излучении. Его длины волн на много порядков меньше, соответственно, хотя здесь работает подобное ограничение, в его лучах можно увидеть куда более мелкие предметы.

Как это делается

Вернемся в макромир. На окраине Гамбурга подошел к концу строительство европейского лазера на свободных электронах. Его сокращенное название, XFEL, так и расшифровывается: European x-ray free electron laser, то есть Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах. На поверхности земли объект состоит из двух комплексов зданий, разнесенных на три километра. Все самое интересное, как водится, размещено ниже, под землей. Трасса ускорителя состоит из главного тоннеля длиной около двух километров и диаметром 5,3 метра и системы вентиляционных тоннелей диаметром по 4,6 метра.

Для строительства в 2009 году создан некоммерческий консорциум European XFEL GmbH, основным акционером которого изначально является германское агентство DESY. Финансовые затраты распределены. На строительство и ввод в эксплуатацию планируется затратить 1,22 млрд евро. 58% этой суммы предоставляет Германия, 27% – Россия, доли остальных участников лежат в интервале 1–3%. Всего в проекте участвуют 11 стран.

Большая часть тоннелей проложена горизонтально на глубинах от 6 до 38 метров в зависимости от профиля местности и расположения конкретного тоннеля. Общая длина тоннелей – 5777 метров. В создании этой непростой системы участвовали два проходческих щита. Пучок электронов формируется инжектором. Это миниатюрный ускоритель, размером всего-навсего около сотни метров, размещенный под землей на той же глубине, что и основной комплекс. Вылетев оттуда, электронный пучок попадает в основной тоннель, где сверхпроводящие разгонные блоки доводят его скорость до околосветовой. Это само по себе завораживает, но на этом работа системы только начинается.

Разогнанный поток электронов попадает в ондулятор. Этот прибор с названием французского происхождения (фр. onduler – волноваться, колебаться) представляет собой последовательность достаточно мощных электромагнитов, поле которых отклоняет пролетающие частицы то в одну, то в другую сторону, образуя что-то вроде синусоиды. Смысл происходящего в том, что при повороте в противоположную сторону электрон движется с ускорением, а значит, теряет часть своей энергии, испуская гамма-квант. Движущиеся рядом электроны взаимодействуют с излучением соседей и «подключаются» к нему.

Происходит то, что в физике называется самопроизвольным усилением спонтанного излучения. Очень важно, что при некотором подборе параметров ондулятора это излучение когерентно, то есть электроны испускают синхронизированные по фазе фотоны, как и положено делать лазеру. Именно поэтому установка так и называется. Длина получающейся волны зависит в общем случае от угла испускания гамма-квантов по отношению к направлению движения электронов, от периода ондулятора и скорости пучка.

Первый параметр в лазере равен нулю, два других мы можем подбирать по своему усмотрению. Разумеется, они рассчитываются так, чтобы у нас получалось рентгеновское излучение с заданными параметрами. На этом жизнь электронного пучка – короткая, но яркая, – заканчивается. Его отводят в сторону и «топят» в специальной ловушке. А лазерный луч летит дальше. Какой-либо специальной техники для управления и фокусировки нет – когерентному лучу она не нужна, да и невозможна ввиду высокой мощности. Получившийся рентгеновский пучок настолько «ярок», что успеет проплавить насквозь любую линзу. Разумеется, высокоточная техника, отвечающая за рождение частиц и манипуляции с ними на безумных скоростях, работает без непосредственного участия человека, которому остается лишь задавать параметры работы.

Предки и родственники

Концепция XFEL не является чем-то совершенно новым. В этом несложно убедиться, бегло просмотрев специальную литературу, в которой рождающееся в системе рентгеновское излучение называется синхротронным. Синхротрон – плод развития ускорителей заряженных частиц, «созревший» в последнюю четверть XX века. Это кольцевой ускоритель, в котором пучки электронов движутся по кругу, периодически проходя через направляющие магниты и ускоряющее электрическое поле.

Набранная ими энергия частично расходуется на ондуляторах, вроде описанного выше. Конструкция страдает от принципиальных ограничений, вызванных необходимостью поддерживать круговое движение. С одной стороны, движущиеся по кругу электроны все время бесполезно излучают, и потери на это излучение колоссальны. С другой стороны, при генерации рабочего луча с них нельзя снять слишком много энергии, иначе они вовремя не доберутся до следующего разгона.

В сумме это приводит к тому, что, хотя достигнутые энергии очень велики (электроны удается разогнать почти до скорости света), на полезные цели уходит совсем небольшая их часть, и сегодня уже не удается ее сколько-нибудь заметно увеличить. Результатами оказываются малая яркость и некогерентный пучок. Это, разумеется, не означает, что синхротроны бесполезны. Это означает, что данная техническая идея себя исчерпала. Появление «прямых» лазеров оказалось лишь вопросом времени.

На сегодняшний день их преимущества перед синхротронами таковы: 1. Существенно более яркое излучение – примерно в миллиард раз. 2. Генерация очень коротких вспышек – до нескольких фемтосекунд, что открывает возможность снимать «кино» из жизни молекул, участвующих в совсем коротких сценках. 3. Когерентное излучение, дающее исследователям дополнительные возможности. Сегодня в мире действует всего четыре научных лазера на свободных электронах – в США, Японии, Германии и Италии. Еще три строят.

Европейский лазер будет среди них самым мощным, но в первую очередь самым быстрым. EXFEL дает 27 тысяч вспышек в секунду, в то время как японская установка SACLA генерирует 60, а американская LCLS – 120. Эту величину не надо путать с продолжительностью самой вспышки, у EXFEL речь идет о фемтосекундах, то есть о квадрилионных долях секунды.

Судьба артистов

Колоссальная яркость новой техники помимо новых возможностей влечет за собой и некоторые проблемы. Практически любой подопытный образец за те невообразимо маленькие доли секунды, которые он подвергается облучению, успеет остаться без «своих» электронов. Их унесет потоком набегающих фотонов точно так же, как порыв ветра уносит кепку зазевавшегося прохожего. Разница в том, что прохожий, оказавшись без головного убора, бросится следом и с вероятностью близкой к единице его поймает, а под лучом рентгеновского лазера останется тело, в котором будут только положительно заряженные частицы.

Они тяжелее и потому задержатся на своих местах чуть дольше. Одним словом, наш образец не доживет до следующего дубля – его разорвет электростатическим отталкиванием. Этот процесс занимает десятки фемтосекунд и в наш кадр не попадает – вспышка закончилась. Но он, увы, неизбежен. Продолжение съемок потребует нового состава участников. Когда говорят, что новая техника может работать с одной молекулой – это правда, но не вся. Одной молекулы нам хватит для портретной фотосъемки, а для кино потребуется новый состав актеров на каждый кадр. Кстати сказать, «портрет», запечатлеваемый детекторами, совсем не похож на снимаемый образец. В кадре видна какая-то клякса с выростами и заусенцами. Чтобы превратить ее в картинку, соответствующую тому, что было на самом деле, нужны специальные процедуры обработки, среди которых спектральный анализ – не самая сложная вещь.

Зачем это нужно?

Мы подошли к самому, вероятно, важному вопросу. А зачем это все? Дорогая установка, квалифицированные (то есть тоже дорогие) специалисты, годы работы? По опыту применения синхротронов, самыми активными пользователями неизменно оказываются представители современной биологии и медицины. Рентгеновское излучение вовсю задействовано в изучении пространственной структуры биомолекул, строения и функционирования клеток на уровне отдельных органелл. В 1980 году было расшифровано пространственное строение нескольких десятков биомолекул, к 2017 году их число перевалило за 93 тысячи.

Существуют несколько препятствий, которые на существующей технике обойти не удается. Образцы, оказавшиеся под рентгеновским облучением, получают повреждения – об этом мы писали выше. Предполагается, что EXFEL за счет коротких вспышек обойдет эту проблему: повреждения образца будут происходить уже после его съемки. Другая трудность связана с тем, что для работы на синхротроне белок нужно соответствующим образом подготовить и экспонировать в соответствующих условиях. Первое в переводе на нормальный язык означает, что белок должны вырастить в виде кристалла.

Это почти всегда сложно, иногда очень. Получается, что если сама работа занимает минуты, то подготовка к ней иногда требует нескольких лет труда. Для EXFEL все это несущественно – достаточно очень небольших порций вещества и экспонировать их можно в условиях, приближенных к естественным: при комнатной температуре и т. п. Отдельно упомянем процессы, происходящие с белковыми молекулами при их укладке в нужные природе структуры и при движении.

То и другое напрашивается на «киносъемку» – и теперь у нас есть для нее подходящая техника. Еще один интересный пласт проблем связан с фотосинтезом, точнее – нашими попытками воспроизвести его человеческими технологиями. В природе расщепление молекул воды и затем атомов водорода на протоны и электроны происходит в сложных биомолекулярных комплексах, использующих только дешевые, широко распространенные металлы: марганец и кальций. Их никто пока не видел в действии, поэтому механизм процесса нам до сих пор не ясен. Отдельный, очень интересный класс задач – в области каталитической химии.

Что делает катализатор, знают более-менее все, учившие химию в школе. А вот как он это делает – пока не знает никто, посмотреть на него в момент действия еще не удавалось. Это приводит к тому, что новые катализаторы поныне подбираются методом тыка, с огромными затратами труда и времени. То и другое можно сэкономить. Этим, понятное дело, не исчерпывается список задач для нового лазера. Новые времена открывают для нас новые перспективы.