Сегодня в Гамбурге (Германия) состоится запуск самого крупного в мире лазера на свободных электронах. Ультракороткие рентгеновские импульсы новой международной установки открывают недоступные сегодня возможности для множества экспериментов, среди которых — исследования сверхбыстрых химических реакций, анализ структуры белков и других наноразмерных объектов. Один из основных российских участников — новосибирский Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН — разработал и изготовил для Европейского XFEL научное оборудование оборудование на общую сумму более 25 млн. евро.

Всего в проекте участвуют 12 стран, по степени вовлеченности Россия занимает второе место после Германии. Стоимость создания установки составила 1,22 млрд евро (на 2005 г.), при этом Российская Федерация взяла на себя 27% этих расходов. Большую часть вложенных средств российские организации получили в виде заказов на разработку и производство научного оборудования.

Лазер на свободных электронах (ЛСЭ)/ Принцип работы. Излучение в ЛСЭ создает пучок электронов, разогнанный почти до скорости света. В Европейском XFEL для этого используется самый большой в мире сверхпроводящий линейный ускоритель длиной 1,7 км. Ускоренный пучок попадает в ондулятор — устройство с периодическим магнитным полем. Двигаясь в нем по зигзагообразной траектории, электроны излучают фотоны. Диапазон излучения существующих ЛСЭ — от терагерцового до рентгеновского. Новая установка будет генерировать ультракороткие рентгеновские вспышки с рекордной частотой — 27 000 раз в секунду, а ее пиковая яркость — в миллиард раз выше обычных источников рентгеновского излучения.

Стенды для сверхпроводящих модулей и вакуумные камеры. Для новой установки специалисты ИЯФ СО РАН разработали несколько принципиально важных систем. Среди них — криогенные стенды для испытаний сверхпроводящих модулей линейного ускорителя. Внутри каждого модуля находится 8 резонаторов, проходя через которые пучок ускоряется высокочастотным электромагнитным полем. Резонаторы работают при температуре 2 Кельвина (-271,15 °С), поэтому для их охлаждения используется жидкий гелий при давлении около 30 миллибар.

Еще одна разработка ИЯФ СО РАН для проекта XFEL — вакуумные камеры для транспортировки пучка общей длиной более километра. Помимо высокой точности при изготовлении камер требовалось обеспечить исключительную герметичность и чистоту внутренних поверхностей. По словам руководителя рабочей группы исследовательского центра DESY Свена Ледерера, благодаря слаженной работе команды сотрудников ИЯФ СО РАН, установка и запуск вакуумной системы прошли точно в намеченные сроки.

Системы питания для корректирующих магнитов. В 2012 году ИЯФ СО РАН и Европейский XFEL заключили контракт на сумму 2,5 млн. евро на разработку, производство и ввод в эксплуатацию системы питания корректирующих электромагнитов линейного ускорителя и каналов транспортировки пучка. Перед Институтом стояла задача произвести большой объем уникального оборудования в соответствии с жесткими европейскими требованиями.

Корректирующие электромагниты создают добавочное поле для коррекции параметров электронного пучка. Ключевое требование для системы питания магнитов — поддержание высокой стабильности выходного тока (допустимые отклонения — не более 0,001%), а также обеспечение высокой надежности работы. Неисправность даже одного источника питания отрицательно скажется на качестве пучка.

«Для наших источников питания мы гарантируем среднестатистическую наработку на отказ не менее 100 тыс. часов (в среднем одна поломка за 11 лет) — рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат технических наук Олег Беликов. — Это рекордная величина для аппаратуры такого класса, поскольку отказом считается любое отклонение от заданных параметров. Но даже при такой надежности с учетом того, что источников много, поломки будут происходить раз в две недели, поэтому обязательным условием было создание «горячего резерва». В общей сложности, из 387 источников 50 — запасные. Заменить элемент, вышедший из строя, на резервный можно без непосредственного вмешательства технического персонала, с помощью системы управления. В случае поломки оператор производит замену моментально, одним нажатием на кнопку. Это сделано потому, что даже минута работы такой установки стоит очень дорого».

XFEL для науки. Исследования и перспективы. Европейский XFEL открывает огромные возможности для изучения химических и физических процессов, происходящих в веществе. Этой осенью начинают работу две пользовательские станции, предназначены для исследований в различных областях науки. Одна из них — под названием «Фемтосекундные рентгеновские эксперименты», которую также неофициально называют «Молекулярное кино», позволит фиксировать реакции, происходящие в течение квадриллионной доли секунды. Например, исследователи получат возможность посмотреть «в живую» на процесс фотосинтеза — превращения света в химическую энергию. Другая — «Станция для исследования отдельных кластеров и биомолекул и параллельной фемтосекундной кристаллографии»: здесь ученые смогут проводить анализ мельчайших структур (вирусов и макромолекул) на атомном уровне.

В начале 2017 года более 60 научных коллективов подали заявки на проведение экспериментов на этих станциях: очередность устанавливала специальная международная экспертная комиссия. В результате были отобраны первые 14 групп исследователей, которые приступят к работе уже в сентябре.