Исследователи МНИЦ &quot;Когерентная рентгеновская оптика&quot; выполнили работы в &quot;зеркальной&quot; лаборатории Eu-XFEL и провели первые эксперименты по тестированию алмазной оптики

7 — 12 декабря научные сотрудники Сергей Шевырталов, Анатолий Лушников, Антон Нарикович, Елена Овчарук, Артем Хегай и Александр Баранников во главе с директором центра Анатолием Снигиревым провели работы в «зеркальной» лаборатории на европейском рентгеновском лазере на свободных электронах (Eu-XFEL) в Шенефельде (пригород г. Гамбурга) и немецком электронном синхротроне DESY. Целью визита было знакомство с 4-м поколением источников рентгеновского излучения для проведения экспериментов с применением новой оптики, разработанной в Международном научно-исследовательском центре (МНИЦ) БФУ.

Поездка была организована за счет средств Программы повышения конкурентоспособности в БФУ им. И. Канта (Проект 5-100).

Директор по науке и член управляющего комитета XFEL Сергей Молодцов провел экскурсию по исследовательским станциям, лабораториям пробоподготовки и рассказал об основных принципах работы лазера, назначении каждой станции и особенностях устройства каналов вывода излучения. В ходе визита были рассмотрены формат и содержание новых специализированных заявок на проведение экспериментов. Основным направлением экспериментов является использование нового поколения алмазной оптики с целью ее применения в белых (немонохроматизированных) пучках рентгеновского излучения близких к фронтэнду Front-End)2.

Для генерации рентгеновских импульсов основным процессом является SASE (от англ. Self-Amplified Spontaneous Emission — самоусиливающееся спонтанное излучение), при котором электронные сгустки генерируются в пушке, доводимые до высокой энергии (до 17,5 ГэВ) через сверхпроводящий линейный ускоритель, и передаются на длинные (до ~ 200 м) ондуляторы, где генерируется рентгеновское излучение (РИ). В составе EuXFEL три типа ондуляторов, обеспечивающих РИ с разными свойствами, которые ориентированы на различные уникальные методы исследования веществ. Среди них рентгеновская спектроскопия, исследование материалов в экстремальных условиях, рентгеновское рассеяние и когерентная микроскопия. С помощью множества дополнительных оптических элементов — среди которых трансфокаторы с преломляющей оптикой, аттенюаторы, устройств мониторинга пучка — пользователи могут адаптировать РИ в соответствии с потребностями своих экспериментов из контрольных комнат рядом с каждой станцией:

FXE — Фемтосекундные рентгеновские эксперименты: временные исследования динамики твердых тел, жидкостей, газов
HED — Вещество с высокой плотностью энергии: исследование вещества в экстремальных условиях с использованием жесткого рентгеновского ЛСЭ излучения, например зондирование плотной плазмы
MID — Визуализация и динамика материалов: определение структуры наноустройств и динамика на наноуровне
SCS — Спектроскопия и когерентное рассеяние: электронная и атомная структура и динамика наносистем и невоспроизводимых биологических объектов с использованием мягкого рентгеновского излучения
SPB/SFX — Сверхбыстрая когерентная дифракционная визуализация отдельных частиц, кластеров и биомолекул: определение структуры отдельных частиц (атомных кластеров, биомолекул, вирусных частиц, клеток), последовательная фемтосекундная кристаллография
SQS — Малые квантовые системы: исследование атомов, ионов, молекул и кластеров в интенсивных полях и нелинейных явлениях.

FEL, на самом деле, не совсем лазер, а генератор монохроматического когерентного излучения. В отличие от обычных лазеров (газовых, жидкостных, твердотельных), где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях — у FEL источником излучения является пучок электронов в вакууме, которые движутся в огромном сверхпроводящем линейном ускорителе со скоростями, близкими к скорости света. В ускорителе электроны проходят через специальные устройства — ондуляторы. Они представляют собой два ряда магнитов с чередующейся полярностью. Электроны двигаются вдоль ондулятора по синусоидальной траектории с переменным центростремительным ускорением, стимулирующим излучение фотонов с уникальной пространственной и временной структурой.

Антон Нарикович:

«Как известно, исследования материалов и процессов в нанометровом диапазоне длин, требуют все более сложные и дорогостоящие установки. Например, биологам необходимо знать структуру сложных белков, которые очень сложно кристаллизовать, а это значит, что невозможно сделать рентгеноструктурный анализ и выяснить, какова их пространственная структура и какие свойства определяют их работу. На исследовательских станциях EuXFEL используют высокоэнергетические рентгеновские пучки, которые буквально испаряют образец. Однако длительность рентгеновских вспышек, составляющая фемтосекунды, позволяет получить дифракционную картину исследуемого образца, до его разрушения. Для понимания величины этих временных отрезков достаточно посчитать расстояния, которое свет пройдет за 1 фемтосекунду — всего 300 нм!».

Елена Овчарук:

«Я была впечатлена масштабом установки, которую нам довелось увидеть. На привычных синхротронах сложно достичь той же детализации, что на XFEL, особенно при изучении процесса, а не статического объекта. Легко представить, какой толчок в кристаллографии и биологии создаст доступ к рентгеновскому фемтосекундному лазеру. У меня и моих коллег уже появились идеи, как использовать его потенциал».

Анатолий Лушников:

«Впечатляет подход к методам использования доступного на станциях оборудования. Очень большая работа проведена, чтобы предоставить пользователям программные инструменты для упрощения и ускорения экспериментов, а также обработки экспериментальных данных. Использование лучших практик с XFEL позволит эффективнее работать с данными и в рамках нашей лаборатории».

Сотрудники МНИЦ сделали первый шаг к экспериментам на XFEL, проведя исследование элементов рентгеновской оптики на основе синтетических алмазов. На новых синхротронах и лазерах на свободных электронах с большой мощностью алмазы станут единственным материалом для оптики. Они обладают низким коэффициентом термического расширения и способны выдержать высокую термическую нагрузку. Кристаллы алмаза растят и обрабатывают в Институте геологии и минералогии им. В. С. Соболева (ИГМ СО РАН, Новосибирск), совместно с которым так же будет реализовываться проект РФФИ.

Сергей Шевырталов:

“За несколько дней нам удалось исследовать алмазные кристаллы из Новосибирска, показать их качество и функциональные возможности. Мы даже придумали название для одного из новых элементов — рентгеновский «мультитул». Он как швейцарский нож — способен выполнять сразу несколько функций, для которых требуется только небольшая юстировка в пучке. В следующем году мы планируем опубликовать эти данные”.

Кроме того, в ходе ознакомления с установками DESY, сотрудники посетили несколько синхротронных станций экспериментального холла “Макс фон Лауэ”. В их число вошли P01 — станция, предназначенная для изучения магнетизма наноструктур, а также их поведения при высоких давлениях. Она оснащена монохроматорами высочайшего энергетического и пространственного разрешения, работающими в широком диапазоне. P12 — станция для исследований образцов методом малоуглового рассеяния. Представленное там оборудование помогает воссоздать структуры молекул с высоким временным разрешением. Это играет важную роль при исследовании свойств химических веществ, молекулярных соединений. Основная работа научной группы была проведена на станции P14, которая отличается высокой когерентностью излучения. Получены уникальные результаты по использованию новой алмазной оптики для управления пучками рентгеновского излучения.

Артем Хегай:

«На сегодняшний день синхротронный источник 3-го поколения PETRA III считается одним из самых больших и ярких в мире. Длина окружности накопительного кольца составляет 2.3 км. С 2019 года на PETRA III полноценно функционируют 20 доступных для пользователей станций. Меня поразили масштабы данного сооружения. Сегодня, развитие таких источников особенно актуально, ввиду активного строительства когерентных источников синхротронного излучения, открывающих дополнительные возможности рентгеновской микроскопии, например, для наблюдения сверхбыстрых процессов, протекающих в различных материалах, включая биологические объекты, на микро- и нано-уровне».

Александр Баранников:

«Высокая когерентность рентгеновского излучения и яркость источника позволяют исследовать микрообъекты с высоким пространственным и временным разрешением. Это дает возможность заглянуть в глубь динамики химических и физических процессов, протекающих как на уровне молекул, так и в недрах различных небесных тел».

СПРАВКА:

Eu-XFEL — самый мощный в мире рентгеновский лазер на свободных электронах. Длина установки составляет 3.4 км. Тоннельная система Eu-XFEL проходит на глубине от 6 до 38 метров. Он генерирует ультракороткие вспышки рентгеновского излучения — 27 000 в секунду с яркостью, которая в миллиарды раз ярче, чем у обычных синхротронных рентгеновских источников. Минимальная длина волны составляет 0.05 нм. Максимальная энергия электронов — 17.5 ГэВ. Количество экспериментальных станций — 6. Тесно сотрудничает со своим основным акционером DESY и другими организациями по всему миру. В компании работает более 300 человек. В настоящее время в проекте участвуют 12 стран: Дания, Франция, Германия, Венгрия, Италия, Польша, Россия, Словакия, Испания, Швеция, Швейцария и Великобритания.