Знание-сила, 2000 №09

Что касается электронной структуры материалов, то внутренние электроны жестко связаны с ядрами, а внешние, слабее связанные с ядром, участвуют в химической связи между атомами (валентные электроны) и других процессах, таких как проводимость тока. Изучение валентных электронов показало, что легче всего построить их квантовомеханическую модель для кристаллических тел, когда электрон не привязан к определенному атому.

Рентгеновские лучи стали столь популярными благодаря своей способности проникать в глубь материала и взаимодействовать с атомами внутри него. Есть два основных типа взаимодействий, дающих информацию о структуре материала: поглощение и рассеяние.

Картина рассеянного излучения содержит сведения о пространственном строении рассеивателя. Когда длина волны несколько меньше размера объекта, на котором идет рассеяние, изображение получается лучше всего. Поэтому для определения позиций атомов необходимы волны с длиной в размер атома. Кроме того, поглощение рентгеновских лучей дает широкие возможности для изучения электронной структуры, поскольку энергии рентгеновских лучей очень хорошо соответствуют интервалу энергий, нужному для перевода электронов в валентную зону. Возбужденные электроны сбрасывают энергию. Это флуоресценция – эмиссия фотонов, испускание самих электронов или ионов, что можно регистрировать и по чему можно судить о внутренней электронной структуре.

С самых первых дней своего применения в начале шестидесятых попов синхротронное излучение расширило возможности традиционных способов – рентгеновской дифракции и фотоэлектронной спектроскопии – и породило целый ряд новых методов, без него невозможных. Создается оно позитронами и электронами, вращающимися по круговой орбите в ускорителе элементарных частиц и в миллиарды раз интенсивнее, чем излучение от обычных рентгеновских трубок. Более того, в интересах того или иного эксперимента можно выбирать нужную длину волны. Есть и другие удобства, например, контролируемая поляризация (как линейная, так и круговая), возможность сведения в узкий пучок типа лазерного, импульсная структура. Все это делает синхротронное излучение совершенно уникальным источником рентгеновских лучей.

Создание ультраярких источников рентгеновских лучей – одна из наиболее успешных (и нечасто рассказываемых) историй взаимодействия науки и технологии за последние полвека. Накопительные кольца – «машины», их производящие, – основаны на использовании вакуумной трубки, свернутой в кольцо диаметром в несколько сотен метров. По ней несутся электроны со скоростями, близкими к скорости света, на поворотах они сбрасывают излучение, которое позволяет экспериментаторам просвечивать вещество на атомном уровне.

Пучки лучей, повторяя форму испустившего их пучка электронов, имеют малую площадь и малую расходимость – именно это и делает их очень яркими. Ас помощью ярких пучков можно рассматривать очень малые объекты. Кроме того, чем ярче пучок лучей, тем уже диапазон длин волн, из которых он состоит, а такая избирательность позволяет точнее воздействовать на некоторые молекулы, к примеру, возбуждающиеся от строго определенной энергии.

Накопительные кольца позволяют изменять энергию электронов, а значит, и энергию испускаемых рентгеновских лучей. Подобная перестраиваемость пучка лучей позволяет экспериментаторам изучать практически все известные свойства материалов – прочность, магнетизм, тепло- и электропроводность, а также следить за химическими реакциями.

Интересно, что развитие научных аспектов метода шло параллельно с технологическими прорывами. Увеличение яркости источников рентгеновских лучей происходило заметно интенсивнее, чем быстродействие компьютеров, которое обычно приводится в качестве примера безудержного роста. Яркость источников, построенных за последние пять лет в различных странах, превышает возможности предшествующего поколения в сто раз, а Солнца – в миллиард раз.

Восемь современных источников синхротронного излучения активно работают, а еще два – заработают в ближайшее время. Кроме того, продолжает действовать около сорока установок (читай – ускорителей) предыдущего поколения. Стоимость новой установки велика – от ста миллионов до миллиарда долларов, но интерес к ним постоянно растет, поскольку ультраяркие рентгеновские лучи должны помочь ученым лучше понять строение кристаллов, молекул, белков, полупроводников и сил, связывающих их в одно целое.

Примерно сто лет ученым известно, что заряженные частицы излучают, когда ускоряются, замедляются или меняют направление движения. Таким образом, даже при равномерном движении по кругу электроны постоянно излучают рентгеновские лучи. Впервые синхротронное излучение было обнаружено полвека назад на ускорителе под названием синхротрон – отсюда и название. Встречается оно и в космосе. К примеру, Крабовидная туманность испускает к нам мощные потоки рентгеновских лучей, которые могли возникнуть только в результате ускорения заряженных частиц в мощных магнитных полях.

Камера синхротрона достигает нескольких десятков километров в длину, она окружена сотнями магнитов, которые форсируют пучки и изгибают их траектории. На небольших скоростях частицы излучают мало, на малых частотах и под разными углами. Когда скорость растет и приближается к скорости света, интенсивность, частота и узконаправленность излучения тоже растут. Испускается излучение по касательной к траектории движения заряженных частиц. Излучение особенно интенсивно для частиц с небольшой массой, таких как электроны и позитроны.

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.