Источник синхротронного излучения уместили на столе
Натан Пауэрс, один из разработчиков, с лазерным ускорителем электронов в рукеФото: Greg Nathan / University of Nebraska-LincolnГруппа американских физиков и инженеров сконструировала компактный источник синхротронного излучения. Устройство способно выдавать пучок квантов с энергиями до одного мегаэллектронвольта и может разместиться на столе. Подробности со ссылкой на статью в журнале Nature photonics приводит пресс-служба университета Небраски-Линкольн.
Рентгеновское излучение в новом приборе возникает при взаимодействии лазерного импульса со струей газа. Лазер с мощностью (в импульсном режиме) в 100 тераэлектронвольт давал импульс, который ионизировал газ и выбивал из образовавшейся плазмы электроны. На этом этапе установка работает как лазерный ускоритель, а затем пучок частиц попадает под еще один луч, полученный тем же лазером.
При взаимодействии электронов (выбитых из атомов и ускоренных первым лучом) с лазерным излучением наблюдался обратный эффект Комптона: кванты света отражались от электронов и получали при этом часть их энергии. Электроны тормозились, а свет с длиной волны в 800 нанометров (фактически это было ближнее инфракрасное излучение) превращался в рентгеновское излучение. Варьируя параметры лазерных импульсов, физики могли контролировать частоту своего устройства: рентгеновские кванты на выходе имели энергию от 70 килоэлектронвольт до одного мегаэлектронвольта.
Слабым местом всей системы является необходимость использовать сверхмощный импульсный лазер. Ученые использовали установку Diocles, которая, как утверждается на сайте университета, на сегодня занимает одно из первых мест в рейтинге импульсных лазеров США. Для работы этого лазера требуется несколько помещений с особо чистым воздухом (рассеянное на пыли излучение могло бы повредить и сам прибор, и окружающее оборудование), поэтому вместе с лазером новый рентгеновский источник уже нельзя назвать «настольным».
В то же время даже вместе с лазером установка значительно меньше импульсного рентгеновского источника в Ливерморской национальной лаборатории, который использует синхротронное излучение. При этом новый источник дает в каждом импульсе в десять раз больше фотонов, а импульсы при этом в сто раз короче: итоговая увеличение яркости достигает тысячи раз. Короткие и яркие импульсы, как считают исследователи, найдет применение в исследованиях механизма химических реакций, где отдельные рентгеновские вспышки позволяют увидеть молекулы непосредственно в момент взаимодействия друг с другом.
Рентгеновские импульсы с высокой монохроматичностью (то есть с частицами примерно одинаковой энергии) находят применение в самых разных отраслях. В медицине их предлагается использовать для обнаружения раковых опухолей на ранних этапах, в биохимии для рентгеноструктурного анализа, а археологи и палеонтологи просвечивают синхротронным излучением различные находки, которые слишком ценны для вскрытия, но не просвечиваются обычными рентгеновскими аппаратами. Кроме того, с помощью синхротронного излучения удавалось даже определять причину потемнения красок на старых картинах и фресках.
