Принцип работы и особенности XFEL

Сверхкратковолновой свободноэлектронный лазер (XFEL, X-ray Free Electron Laser) представляет собой уникальный источник когерентного рентгеновского излучения с чрезвычайно высокой яркостью и малыми временными длительностями импульсов. Основой работы XFEL является генерация рентгеновского излучения посредством ускоренных электронов, движущихся в периодических магнитных структурах — вандерах (undulators).

1. Ускорение и подготовка электронного пучка

Для формирования когерентного рентгеновского излучения требуется электронный пучок с высокой энергией и малой энергетической дисперсией. Обычно используются линейные ускорители (LINAC), обеспечивающие электроны с энергией в диапазоне десятков гигаэлектронвольт (GeV).

Основные параметры пучка:

  • Энергия электронов: десятки GeV, что позволяет получать рентгеновское излучение с длиной волны порядка ангстрем.
  • Эмиттанс пучка: низкая поперечная эмиттансность (~1 мм·мрад) критична для высокой коллимированности и качества луча.
  • Текущий: килоамперы в пиковом режиме необходимы для достижения эффекта микробунинга (см. ниже).
  • Длительность импульса: фемтосекундный масштаб (10–100 fs), что делает XFEL незаменимым для исследования сверхбыстрых процессов.

Электроны, подготовленные в линейном ускорителе, подаются в периодическую магнитную структуру — вандер, где и происходит генерация когерентного рентгеновского излучения.

2. Генерация излучения в вандерах

Вандер представляет собой чередующиеся полюса магнитов, создающих переменное магнитное поле, которое заставляет электроны совершать синусоидальное колебательное движение.

Ключевые моменты:

  • При движении по вандеру электроны излучают электромагнитные волны.
  • Длина волны излучения определяется формулой:

$$ \lambda = \frac{\lambda_u}{2\gamma^2} \left( 1 + \frac{K^2}{2} + \gamma^2 \theta^2 \right) $$

где: λu — период вандера, γ — относительная энергия электрона, K — параметр вандера (зависит от магнитного поля), θ — угол наблюдения относительно оси пучка.

  • Для рентгеновских длин волн λ ∼ 0.1–1 нм требуется энергия электронов десятки GeV и параметры вандеров K~1.
  • Электроны в пучке начинают самоорганизовываться в плотные кластеры (microbunching) под действием взаимодействия с собственным излучением, что ведёт к экспоненциальному усилению излучения.

3. СЭФЭЛ: самоподобный процесс усиления (SASE)

Большинство современных XFEL работают по принципу SASE (Self-Amplified Spontaneous Emission).

  • На входе в вандер пучок электронов излучает спонтанное излучение.
  • Взаимодействие электрона с полем собственного излучения приводит к микробунингу — формированию плотностных модуляций на длине волны излучения.
  • Эти модуляции усиливают излучение электронов в следующем участке вандера, создавая экспоненциальный рост яркости луча.

Особенности SASE:

  • Высокая яркость, превышающая синхротронную радиацию на 9–10 порядков.
  • Длительность импульсов ~10–100 фс.
  • Случайная фаза импульса, что приводит к отсутствию полной продольной когерентности.

4. Ключевые характеристики XFEL

  1. Когерентность:

    • Полная поперечная когерентность.
    • Частичная продольная когерентность (SASE) с возможностью улучшения через внешние схемы (seeding).

  2. Яркость и плотность потока:

    • До 1033 фотонов/(s·mm²·mrad²·0.1%BW).
    • Энергетическая плотность в импульсе превышает возможности синхротронов на многие порядки.

  3. Короткая длительность импульса:

    • Позволяет исследовать динамику химических реакций, фазовые переходы, биологические процессы на фемтосекундной шкале.

  4. Широкий диапазон длин волн:

    • От мягкого до жесткого рентгеновского диапазона (~0.05–5 нм).

  5. Направленность и коллимированность луча:

    • Поперечный размер луча ~10–50 мкм, угловое расходимость ~1–2 мрад.

5. Особенности конструкции XFEL

  • Линейный ускоритель (LINAC): высокая стабильность энергии, низкая эмиттансность.
  • Система вандеров: магнитные модули длиной до 5–6 м, чередуются для создания полной длины последовательности (до сотен метров).
  • Криогенные магниты для уменьшения потерь энергии на сопротивление проводов.
  • Системы стабилизации пучка: корректоры, BPM (Beam Position Monitor), активная фокусировка.
  • Диагностика и экспериментальные станции: специальные мониторы энергии, времени импульса, спектра и когерентности излучения.

6. Сравнение XFEL с синхротронными источниками

Параметр XFEL Синхротрон
Длительность импульса 10–100 fs ~10–100 ps
Яркость 1033 фотонов/с·мм²·мрад² 1024–26
Когерентность Полная поперечная Частичная
Диапазон длин волн 0.05–5 нм 0.1–10 нм
Плотность потока ~1012 фотонов/импульс ~109–10

7. Применение XFEL

  • Структурная биология: определение структуры белков и вирусов без кристаллизации.
  • Химия и физика конденсированного состояния: наблюдение ультрабыстрых реакций, фазовых переходов, плазмы.
  • Материаловедение: изучение микроструктур и дефектов на наноуровне.
  • Время-резолюционные эксперименты: pump-probe схемы для анализа динамики электронов и атомов.

XFEL сочетает в себе уникальные характеристики рентгеновского излучения: высокая яркость, фемтосекундные импульсы и почти полная поперечная когерентность. Это делает его незаменимым инструментом для исследований ультрабыстрых процессов и сложных структурных систем, открывая новые горизонты в физике, химии и биологии.

Оглавление