Электромагнитная (ЭМ) радиация невероятно полезна. Она позволяет нам передавать музыку на большие расстояния по беспроводной связи, готовить пищу в микроволновых печах и видеть мир вокруг нас в ярких красках. Однако теперь, сильнее, чем когда-либо, электромагнитная радиация является ключевым моментом при изучении физических, природоохранных и биологических наук, которые способствуют реальному прорыву людей из обыденности. От изобретения новых лекарств и вакцин, путем их тестирования на искусственных органах и до открытий, которые позволят предотвратить болезни, крупномасштабное распространение ЭМ-радиации действительно расширит горизонты мира науки.
В Великобритании эти изменения происходят в Diamond Light Source – в национальном синхротронном комплексе в графстве Оксфордшир. Высокотехнологичный ускоритель частиц выделяется по выработке большего количества ЭМ радиации в форме синхротронного света. Мы решили совершить путешествие на территорию современной науки, чтобы посмотреть, как обстоят дела в обычный рабочий день, а также получить сведения о том, какие принципиально новые эксперименты сейчас проводятся…
Знакомство с синхротроном
Лучше начать с объяснения того, что такое синхротрон. По существу, это большая, сложная система механизмов, которая генерирует электроны, ускоряя электроны почти до скорости света, а затем складывает их в большое накопительное кольцо. Высокоактивные электроны продолжительное время кружатся по кольцу, пока не будут направлены на образование высокоинтенсивных рентгеновских лучей. Мы говорим об электронах с тремя гигаэлектронвольтами (ГэВ). ГэВ – единица энергии, равная миллиарду электрон-вольт. Именно этот свет ученые могут использовать в экспериментах. Прямо сейчас мы готовы встретиться с Доктором Гюнтером Ремом, главой диагностической группы Diamond Synchrotron Beamline. Эта группа ответственна за предоставление ученым рентгеновских лучей, в случае необходимости. Мы вышли из офиса Рема в Diamond House – глянцевый, со стеклянными стенами комплекс, в котором работает большая часть персонала предприятия – 400 человек. Затем, как только мы проходим через контроль безопасности в помещение синхротрона, он начинает описывать, как работает система.
Синхротрон состоит из четырех главных частей, первая из которых электронно-лучевая трубка. Находясь в самом центре механизма синхротрона, эта трубка отвечает за генерирование электронов – нагревая высоковольтный катод в вакууме – затем заставляя их собраться вместе и сжаться в компактные группы; последнее достигается путем прохождения луча электронов через полость с активным переменным полем. Из скапливающей полости луч сжатых групп электронов проходит через линейный ускоритель. Эта часть синхротрона использует ряд электрических полей для воздействия на сжатые группы электронов в потоке, чтобы ускорить их до скорости, близкой к скорости света и выше, чтобы загрузить уровень примерно 100 миллионов электрон-вольт. Отсюда ускоренные группы электронов отправляются в синхротронный усилитель.
Синхротронный усилитель находится вне линейного ускорителя. Он представляет собой 158-метровую О-образную вакуумную трубу из нержавеющей стали, окруженную магнитами, расположенными в накопительном кольце синхротрона и других механизмов. Меньший синхротрон получает электроны и затем, с помощью 36 дипольных магнитов, соединяет их вокруг вакуумного канала, пока они ускоряются до необходимой выходной энергии в 3 гигаэлектрон-вольта. Двигаясь почти со скоростью света и имея немыслимый уровень энергии, электронные группы попадают в синхротронное накопительное кольцо. Накопительное кольцо идентично ускорительному кольцу и по конструкции, и по назначению, но имеет больший размер. Накопительное кольцо содержит вакуум, в котором движутся заряженные электроны, а ряд магнитов, включая дипольные магниты, помогающие потоку маневрировать по кругу, квадрупольные и секступольные магниты для настройки точного фокуса луча и позиции, так же как специальные магниты, называемые устройство ввода (УВ) для манипулирования электронами для синхротронной выработки света.
УВ – настоящие звезды синхротрона, способные заставить электроны двигаться с колебательными движениями относительно их прямого курса. В результате их устойчивости формируются очень мощные рентгеновские лучи. По существу, до любого пучка синхротронного излучения – ответвления от кольца, в которых проводились эксперименты – можно найти устройства ввода. Электроны попадают в устройство, колеблются, образуют рентгеновские лучи и затем, пока электроны стремительно движутся вниз накопительного кольца из-за дипольных магнитов, фотоны продолжаются двигаться прямо, и затем опускается пучок синхротронного излучения для нужд эксперимента. Оставаясь под контролем Далее мы попадаем в центральное управление пучками синхротронного излучения. В большом и вместительном помещении примерно треть пространства занимает возвышающийся механизм, тут находится главный центр системы контроля, а два элемента диагностической группы оснащены компьютерными системами. Рэм объясняет, что ежедневные операции синхротрона автоматизированы в значительной степени, поэтому количество сотрудников минимально. Однако, из-за невероятной сложности систем, создающих и поддерживающих пучки высокоэнергичных электронов, статус комплекса должен постоянно контролироваться. На самом деле, мы предполагали, что контроль электронных пучков такой магнитуды будет не легкой задачей.
В пункте управления постоянно анализируется уровень заряда, расположение, временная структура и потери электронов в пучках в накопительном кольце синхротрона. Этот контроль производится с помощью программного обеспечения называемого СЭФПК: Система экспериментального и промышленного контроля. Система позволяет отобразить невидимые особенности пучка посредством ряда сенсоров, мониторов и камер, находящихся в кольце.
Демонстрируя работу этого механизма, Рэм показывает, как за десятиминутный период времени пучок электронов в накопительном кольце терпит необратимые потери. Это происходит из-за коллизии и молекул остаточного газа, а также из-за потери энергии в процессе генерации синхротронного света устройством ввода и искривления дипольного магнита. Для поддержания оптимальной стабильности пучков и качества синхротронных лучей они периодически автоматически добавляются. Наблюдая за активным графиком СЭФПК, мы видим, как падает общий уровень заряда в кольце, и затем, ровно через 10 минут возвращается к начальному уровню.
Рэм объясняет, что происходит не только автоматическое добавление, но также система может запрограммировать части лучей, в которых пропадают электроны; это обеспечивает весьма стабильное распределение энергии по кругу в кольце для постоянной генерации света. Эта система действительно удивительна, она способна плавно впрыскивать дополнительные электроны в истощенные пучки, пока они движутся в накопительном кольце почти со скоростью света.
Подсмотрим за пучками
Продвигаясь к центру механизма, мы попадаем в главное помещение синхротрона с ячейками. Находясь на подъемной платформе-мостике, тянущееся в обе стороны, дугообразное расширение теряет много синхротронных лучей, ответвляющихся от бетонного кольца. Рэм объясняет, что это накопительное кольцо механизма, заключенное в оболочку метровой толщины – бетон для защиты от радиоактивных излучений. Сверху бетонного кольца находится желтая линия, отождествляющая реальную траекторию движения электрических пучков внутри. Согласно словам нашего гида, человек может пролежать на этом бетоне в течение целого года и в итоге получит дозу радиации, составляющую всего лишь 50% от стандартного фонового излучения. Через кольцо просачивается очень малое количество радиации. По мере того, как мы продвигаемся, чтобы лучше увидеть накопительное кольцо и пучки, Рэм начинает рассказывать нам о главном испытании в его профессии: постоянство продолжительности эксперимента.
Из-за того, что у синхротрона каждую неделю есть в запасе день отдыха, поддержание работы различных систем и подсистем в состоянии постоянного и одновременного функционирования без поломок очень затруднительно. Ученые находятся на объекте 24 часа 7 дней в неделю и тратят месяцы, ожидая шанса использовать пучок, так что любой простой не по расписанию очень ощутим. Команда «Как это работает» собирается встретиться с еще несколькими учеными, но прежде Рэм покажет нам еще одну вещь. Маленькая черная комната, зажатая между двумя пучками. Войдя в нее, мы увидели большой стол полный механизмов, оптических устройств и проводов. За столом в стене проделано небольшое отверстие. Это пункт оптической диагностики, позволяющий ученым исследовать временную структуру накопленных электрических пучков, демонстрирующих схему (какое количество заряда находится в каждом пучке). Рэм держит руку перед прибывающим пучком света, чтобы выявить его видимую слабость, как слабое пятно. Затем мы смотрим на прибывающий пучок света, и нас немедленно ослепляет пронзительно яркий свет. Это всего лишь мизерная часть высокоэнергичного света в пучках.
Перемещение света
Хотите узнать, как работает синхротрон это одно, но что он на самом деле значит для всего мира? К нам присоединяется Ник Тэррилл, ведущий ученый в области рассеяния и преломления пучков под малыми углами (I22).
Среди множества примеров, Тэррилл описывает, как недавно команда использовала I22 для тестирования нового полимерного материала искусственного сердечного клапана. Команда сконструировала крошечное устройство, чтобы напрячь сердечный клапан и имитировать биение сердца и затем использовать синхротронное высокоэнергичное рентгеновское излучение, чтобы отобразить внутреннюю структуру полимерного клапана в продолжительном решении на долгое время. Ожидается, что такие полимерные клапаны вскоре смогут заменить проблематичные механические и животные имплантаты клапанов, используемых в настоящее время.
После короткой прогулки по наружному проходу вокруг к пучку I24 мы прибыли к станции микрофокусной макромолекулярной кристаллографии. I24 поддерживается старшим ученым Diamond, Доктором Денни Аксфордом, который объясняет, как команда работает над мембранными белками, исследуя их структуру. Это нечто жизненно необходимое в создании новых лекарств, кроме прочих применений. Этот проект является совместным проектом Королевского колледжа Лондона и самой корпорации Diamond. Местная лаборатория мембранных белков отрицает необходимость транспортировки образцов и их потенциальную порчу, так же как и новую технику, в которой большое разнообразие образцов кристаллов может быть отображено за короткий отрезок времени. После того, как ученые-посетители завершают анализировать постоянную партию образцов, Аксфорд открывает экспериментальный отдел I24 – комната, в которой хранятся: резервуары для хранения жидкого азота, датчик системы формирования изображений, робо-рука, синхротронный свето-фокус и схема матрицы, все необходимое для проведения экспериментов. Сенсор в этой комнате современный и, вдобавок, матричный, позволяет ряду кристаллов отображаться при комнатной температуре. Это невероятно полезно, так как тепло повреждает кристаллы, поэтому быстрое захватывание их структуры критично – вот почему многие образцы криогенно охлажденные.
Наш следующий пункт назначения маленький молекулярный кристалл дифракции пучка (I19), и тут мы видим, какое разнообразие кристаллизованных образцов анализируется посредством дифракции, с рядом образцов от рака до хранения водорода. Следующая дверь – I20 – тут ведущий ученый в области пучков, Доктор Софиа Диаз-Морено, провела детальное путешествие о впечатляющей, изменчивой спектроскопии пучков поглощения рентгеновских лучей. У этих пучков, которые намного больше, чем любые другие, два экспериментальных отдела, которые разделяют линию, чтобы обеспечить возможность различных типов спектроскопического анализа. Что нас действительно удивляет, так это то, насколько важны химические компоненты в ускорении процесса – даже в очень малых концентрациях их структура может просвечиваться и отображаться непрерывно. Эта возможность отображать процессы реакции на атомном уровне за микросекунды – потрясающая, она позволяет ученым понять такие вещи как ускорители, металлосодержащие белки и токсические материалы, как никогда ранее.
Движение пучков электронов
Мы стали свидетелями того, какое впечатляющее оборудование позволяет ученым делать радикальные открытия во многих областях науки, и у нас еще осталось время на последнюю остановку: прогулка по крыше накопительного кольца. Поднявшись с уровня пучков на второй этаж, пройдя через металлическую платформу к центру механизма, мы неожиданно остановились и ступили прямо на бетонную крышу накопительного кольца, пройдя по желтой линии по кругу механизма. Нам понадобилось около 10 минут, чтобы пройти круг по крыше кольца; к сравнению, гиперзаряженным электронам под нашими ногами необходимо на это всего две миллионных секунды.