Ускорителям длиной в километры готовят замену размером со стол

Физики разработали метод, позволяющий поднять мощность настольного рентгеновского аппарата в сотни и тысячи раз. Такой прибор сулит переворот сразу в нескольких науках.

Конечно, «суперрентген» нужен вовсе не медикам. Специалистам по лучевой диагностики, напротив, хочется иметь как можно более слабый источник излучения, компенсируя малую интенсивность высокой чувствительностью прибора. А вот физикам, исследующим структуру материалов или палеонтологам, которым необходимо рассмотреть внутренности древней окаменелости— нужен максимально мощный пучок рентгеновских лучей.

Сейчас такие пучки получают при помощи ускорителей заряженных частиц. Электроны в ускорителе разгоняют почти до скорости света, а затем резко тормозят электромагнитным полем, заставляя накопленную энергию переходить в излучение. И чем мощнее пучок хотят ученые, тем больше ускоритель и тем дороже обходится его строительство.

Рентгеновский лазер XFEL, о котором GZT.RU уже писал, строится на деньги нескольких государств, включая Россию. Длина его тоннелей превысит три километра (строить на поверхности здание в три километра проблематично, особенно в густонаселенном районе), а обойдется уникальный прибор в миллиард евро. То есть примерно в цену одного микрорайона российской столицы.

Настольная альтернатива

Заоблачная цена и габариты установок, которые заставляют для перехода от одного конца «прибора» к другому садится на мотоцикл— не прихоть физиков и не операция по освоению бюджетных средств. Миллиардные траты есть следствие того, что заряженные частицы разгонять до высоких энергий пока удается только соорудив внушительных размеров ускоритель, а где размеры, там и деньги, и неизбежные технические проблемы.

Большой адронный коллайдер, LHC, тоже размещен в тоннеле длиной 27 км из-за отсутствия более компактных альтернатив, так что не только материаловеды и палеонтологи мечтают о небольших, но мощных ускорителях. Работа, которая появилась в журнале Nature, дает им если не готовое решение, то повод надеяться на резкое изменение ситуации в ближайшем будущем.

LHC в каждую поликлинику

 

Неожиданным образом и LHC помог рентгенологам. На основе созданных для коллайдера приборов удалось найти способ получения не черно-белых, а цветных рентгеновских снимков. Причем не просто раскрашенных по принципу "яркое – красное, темное – синее", а именно передающих разные "оттенки" рентгеновского излучения!

Что предлагает группа исследователей из Великобритании и США? Они развили идею лазерно-плазменного ускорения заряженных частиц, над которой сейчас работают сразу несколько научных коллективов по всему миру. Их детище побило показатели предыдущих лазерно-плазменных ускорителей в тысячу раз, и если удастся решить еще несколько технических задач, ученые смогут получить настольные приборы с характеристиками современных комплексов размером с целое здание.

Лазер + плазма = рентген

Как работает обычный ускоритель? Пучок частиц, движущихся с небольшой скоростью, попадает в электрическое поле. Электрическое поле заставляет частицы двигаться с ускорением, а при помощи магнитных полей можно корректировать направление движения— например, заворачивая частицы по кругу, как это сделано в LHC или иных кольцевых ускорителях.

Что мешает делать ускорители меньше? Невозможность создать достаточно сильное электрическое поле: как только напряженность поля достигает нескольких десятков миллионов вольт на метр, происходит пробой— между стенками проскакивает искра и ни о каком дальнейшем увеличении мощности речь не идет.

И это стало бы принципиальным ограничением, если бы не одно «но»— при прохождении лазерного луча через плазму возникают электрические поля намного большей напряженности, да еще и ограниченные в пространстве. То есть с одной стороны, в распоряжении ученых оказывается нужное поле, с другой же стороны оно не возникает во всем объеме ускорителя (что привело бы к разряду).

Аналогия

 

Чтобы согреть рабочее место в самолетном ангаре можно либо пытаться обогреть весь ангар, либо поставить рядом тепловую пушку, направив поток теплого воздуха в нужном направлении. Точно также лазерный луч создает электрическое поле не везде, а только там, где необходимо.

Разогнав лазерным лучом электроны в плазме, их можно направить уже и в специальное устройство, которое затормозит их и даст рентгеновское излучение. Итого потребуется мощный лазер, плазменная камера и собственно устройство, преобразующее энергию пучка электронов в рентгеновское излучение. Много? Зато намного компактнее и, в перспективе, дешевле.

Небольшая установка такого рода может помочь в решении самых разных задач, от создания нового лекарства для гриппа до расследования причин авиакатастрофы, от трехмерной реконструкции доисторических животных до поисков нефти. Как?

• фармакологи при помощи рентгеновского анализа устанавливают структуру вирусного белка. Зная устройство молекулы белка, можно быстрее подобрать вещества, блокирующие этот белок и не дающие, к примеру, вирусу слиться с еще не зараженными клетками (по такому механизму работают многие препараты: озельтамивир, например, блокирует нейраминидазу, белок вируса гриппа)

• конструкторы и технологи смогут просветить лопатки разрушенного авиадвигателя и проверить микроструктуру металла на наличие признаков износа или заводского брака

• палеонтологи смогут не распиливая уникальные образцы выяснить, что же кроется внутри непрозрачных камней с древними окаменелостями. Более того, рентгеновский пучок может и определить химический состав образца

• геологи получат детальную объемную модель образцов породы вкупе с данными о том, из чего он состоит.

А если учесть то, что лазерно-плазменный ускоритель может давать серию очень коротких импульсов, им можно будет и «фотографировать» быстропротекающие процессы: например, химические реакции.

Чего будет нельзя

Необходимо пояснить, что лазерно-плазменные ускорители пока не рассматриваются всерьез как замена устройствам, необходимым физикам, работающим сейчас на LHC и схожих установках. Лазерная технология может помочь получить частицы с энергией, достаточной для рентгеновских установок, но до тех значений, при которых открывается возможность изучать процессы на уровне элементарных частиц, ей далеко.

Впрочем, никто же не жалуется на невозможность использовать сотовый телефон вместо аэродромного радара (который тоже радиоприбор, и даже частота его излучения не очень сильно отличается)— все довольны тем, что миниатюризация позволила заменить рацию-чемодан на изящную и недорогую трубку. Так и с лазерно-плазменным ускорителем: будет хорошо, если он позволит уменьшить размеры и цену хотя бы части приборов.