Знание-сила, 2000 №09

Накопительные кольца – это особая разновидность синхротрона, в которой частицы могут вращаться на одной орбите много часов. До большой скорости их обычно разгоняет другой ускоритель. В Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли электроны крутятся на скорости 0,99999996 от скорости света.

Кольца испускают излучение вообще-то в широком диапазоне длин волн – от инфракрасных до рентгеновских лучей. На практике, однако, физики не используют видимую часть спектра, поскольку есть очень хорошие перестраиваемые лазеры, даюшие еще более яркие пучки видимого света. Но для более коротких длин волн – ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи – конкурентов по яркости синхротронному излучению нет.

Резкий рост яркости излучения в последнем поколении накопительных колец был достигнут по нескольким причинам. Первая – это появление мощных и недорогих микропроцессоров. Их внедрение буквально во все элементы и подсистемы ускорителя позволяет очень эффективно управлять поведением пучка частиц. Операторам удается удерживать пучок толщиной с волос в пределах нескольких сотых долей его толщины. Именно такая точность в управлении пучком частиц и позволяет увеличить его яркость.

Другой ключевой фактор – использование приборов под названием «ондулятор». Это устройство немного изгибает путь электронов то в одну, то в другую сторону – много раз на длине в несколько метров. Каждая смена направления приводит к испусканию синхротронного излучения, отдельные волны накладываются друг на друга. Получается эффект, подобный лазеру: некоторые длины волн усиливаются и в результате интенсивность излучения резко растет.

Теперь на современных установках изучаются объекты и явления, которые были абсолютно недоступны пять-шесть лет назад, воплощаются десятки проектов по исследованию таких сложных процессов, как функционирование белков в живых организмах. Другие экспериментаторы реализуют сложные технологические процессы, третьи ищут ответы на научные загадки.

Познакомимся с несколькими примерами экспериментов: исследование малярийных паразитов, создание технологий для все более мелких транзисторов будущего, попытка понять, как работают поверхностные катализаторы, создание мгновенных «фотографий» живых тканей для понимания действия молекулы миоглобина.

Среди инфекционных болезней малярия занимает второе место после туберкулеза. По оценке Всемирной организации здравоохранения, каждый год от малярии гибнет до 2,7 миллионов человек, в основном детей. Эффективной вакцины нет, а сопротивляемость профилактическим лекарствам постоянно растет. В Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли источник синхротронного излучения используют для изучения жизненного цикла малярийного паразита. Женская особь комара внедряет его в кровяную клетку человека,'там он размножается и заражает другие кровяные клетки. Питается он гемоглобином.

Ученые пропускали пучок рентгеновских лучей через инфицированные кровяные клетки и получали увеличенное изображение. С его помощью они в подробностях наблюдали жизненный цикл паразита и воздействие на него различных лекарств. Исследователи использовали рентгеновские лучи с длиной волны 2,4 нанометра и получили разрешение, почти в десять раз лучшее, чем возможно на оптическом микроскопе. Кроме короткой длины волны, экспериментаторам помогала естественная контрастность при поглощении рентгеновских лучей. Это позволяло наблюдать крошечные структуры внутри инфицированной клетки и даже самого паразита. Можно было подробно следить за процессом его развития. Результаты исследований внесли существенный вклад в терапевтический подход к контролю над малярией.

Яркие пучки рентгеновских лучей могут помочь электронной индустрии. Сердцевина этого бизнеса, производящая продукцию на сотни миллиардов долларов каждый год, – создание микросхем-«чипов». Делают их достаточно сложным многоступенчатым путем, в процессе которого создают и связывают миллионы транзисторов, чтобы изготовить сложную электронную систему из серебра или кремния. Главное здесь – фотолитография, когда ультрафиолетовый свет создает нужные очертания на чувствительной поверхности кремниевой многослойной заготовки.

Длина волны используемого света определяет размер минимальных деталей, которые могут быть сделаны на заготовке, а значит, и плотность расположения транзисторов. В настоящее время детали размером в 0,25 микрон создаются ультрафиолетовым светом с длиной волны 0,248 микрон. Но промышленность уже планирует чипы для будущего с характерными деталями в 0,1 микрона или даже меньше. Единственная возможность получить сегодня такое жесткое излучение – это плазма, созданная лазером.

Важную роль в производстве таких интегральных схем плотной упаковки играют накопительные кольца.

Экспериментаторы из центра рентгеновских лучей в отделении электроинженерии и компьютерных наук университета Беркли в Калифорнии разработали новую методику контроля работы оптических систем. Процедура основана на интерферометрии – наложении двух лучей от одного источника. Только излучение от нового поколения накопительных колец может создать достаточно узкие и интенсивные пучки, необходимые для фотолитографии.

Яркое синхротронное излучение продвигает наше понимание взаимодействия молекул и атомов между собой и с поверхностью, а также – изменение их электронных структур. Подобные исследования могут быть важны при изучении процессов коррозии или катализа. Оба явления имеют огромное практическое значение.

Исследовательская группа из шведского университета в Упсале в сотрудничестве с экспертами компании IBM первой продемонстрировала возможности синхротронного излучения. Изучалось поведение молекул азота на поверхности никеля. Оказалось, что эти молекулы «стоят», то есть с поверхностью взаимодействует один их атом, а второй прикрепляется гораздо слабее, чем между атомами азота в молекуле, поэтому симметричная структура молекулы не должна существенно меняться. А экспериментаторы обнаружили, что электронная структура атома у поверхности сильно меняется, при этом связь между атомами азота в молекуле слабеет. Понимание этого должно помочь совсем в других вещах – например, в синтезе аммиака, поскольку там как раз надо эту связь рвать.

Еще одно очень важное направление использования пучков высокой яркости – получение фазово-контрастных изображений, которое недавно было продемонстрировано Анатолием Снегиревым с коллегами на Европейской установке синхротронного излучения. Их достижение открывает дорогу к недеструктивному изучению биологических, минералогических и некоторых * металлургических образцов на микронном уровне. К примеру, недавно группа Снегирева использовала новую технологию для исследования колена москита.

Получение изображений при помоши рентгеновских лучей основано на различном поглощении, как и обычные медицинские снимки. Вещества из элементов с низким атомным весом (углерод, азот, кислород) более прозрачны для рентгеновских лучей. Вещества из более тяжелых атомов содержат много электронов и поглощают эти лучи. На рентгеновских снимках кости выглядят темнее, так как они плотнее окружающих тканей. Поэтому метод не должен работать для тканей, состоящих из легких атомов.

Метод фазового контраста основан на другом эффекте. Вместо различной плотности и разного поглощения он использует вариации отражательной способности различных веществ. Коэффициент отражения определяет направление луча после того, как он попал в вещество. Для рентгеновских лучей разница в коэффициентах отражения невелика – одна часть на сто тысяч, но этого достаточно для работы метода. Можно даже вращать исследуемый образец, получая некую аналогию компьютерной томографии.

Описанный метод с восторгом встречают биолога, исследующие поведение белков, и фармакологи, изучающие детали воздействия лекарств. Эта технология носит название макромолекулярной кристаллографии и стала возможной она лишь с помощью синхротронного излучения. Сегодня ученых интересуют не только структура белков и расположение атомов в их больших молекулах, но и то, как они меняют свое положение. Эта область еше практически не исследована, но новые установки синхротронного излучения высокой яркости позволят достичь в ней существенного продвижения.