Самые мощные источники рентгеновского излучения — синхротроны и лазеры на свободных электронах (рентгеновские лазеры), применяющиеся для исследований широкого класса научных задач, в частности как «микроскопы» для изучения атомарной структуры различных объектов. Однако высокая стоимость их постройки и эксплуатации, а также огромные размеры не позволяют оснастить синхротроном или рентгеновским лазером каждую научную лабораторию. Немецким физикам удалось создать настольный источник направленного рентгеновского излучения, который тоже может выполнять функции рентгеновского микроскопа. Размеры их прибора не превосходят и одного метра, а характеристики практически не уступают современным синхротронам и лазерам на свободных электронах.
Чтобы «увидеть» строение и динамику внутренней структуры вещества в масштабе одного атома и меньше нужен микроскоп с пространственным разрешением порядка ангстрема (10–10 м). Обычный световой микроскоп для этих целей не подходит, поскольку длина волны света составляет несколько тысяч ангстрем. Поэтому ученые пользуются микроскопами с яркими и короткими (порядка 10–15секунд) рентгеновскими импульсами, чья длина волны меняется в пределах от 0,1 до 100 ангстрем. К сожалению, рентгеновские импульсы с такими характеристиками могут быть созданы лишь огромными и очень дорогими установками — синхротронами и лазерами на свободных электронах (их еще называют рентгеновскими лазерами).
Благодаря таким вот «супермикроскопам» (синхротронам и рентгеновским лазерам) ученые получили немало ценных научных результатов. Однако существенный недостаток всех этих установок — их огромные размеры и чрезвычайно высокая стоимость. Например, японская установка синхротронного излучения Spring-8 занимает площадь около 141 гектара, а на ее строительство было затрачено около 1,2 млрд американских долларов. Готовящийся к запуску в 2014 году в Германии лазер на свободных электронах European X-Ray Laser имеет длину 3,4 км, а бюджет строительства составляет больше 1 млрд евро.
Группа ученых из Германии (их статья Laser-driven soft-X-ray undulator source опубликована в журнале Nature Physics) предложила иной способ создания источника рентгеновского излучения — пусть и не очень мощного, но очень компактного и, что немаловажно, дающего направленный рентгеновский луч, что позволяет использовать источник и как рентгеновский микроскоп. Вся установка занимает около метра.
Несложно посчитать, что, если не принимать во внимание размеры лазера, вся конструкция для получения рентгеновского излучения имеет длину около 1 м (с учетом расстояний между компонентами устройства) и может легко разместиться на обычном столе. Как замечают авторы публикации, такой прибор идеально подходит для университетских лабораторий.
Помимо небольших размеров, описанное устройство имеет несколько важных преимуществ, позволяющих рассматривать его не только как источник рентгеновского излучения, но и как рентгеновский микроскоп. Во-первых, излучение прибора имеет малую расходимость в пространстве. Иными словами, имеет место не просто излучение, а направленный сфокусированный узкий рентгеновский луч наподобие лазерного. Во-вторых, излучение носит импульсный характер с длительностью одного импульса порядка 10 фемтосекунд. Это на порядок меньше, чем рентгеновское излучение, получаемое в лучших синхротронах и лазерах на свободных электронах. И в-третьих, для своих маленьких размеров источник излучения достаточно яркий (большое количество рентгеновских фотонов, излучаемых за секунду в единицу телесного угла). Последние два свойства прибора имеют большое значение при исследованиях быстропротекающих химических процессов, а также в изучении неустойчивых или разрушающихся под действием «жесткого» излучения (вроде рентгеновского) микроструктур, например клеточных органелл.
В заключение можно сказать, пожалуй, еще об одном достоинстве устройства. Длину волны генерируемого излучения можно менять как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, не только «настраивая» мощность лазерного импульса, но и при помощи небольшого сдвига квадрупольных магнитных линз.
18.11.2009
