Успешное строительство рентгеновского лазера на свободных электронах — XFEL — вызвало интерес во всем мире. Мало кто знает, что у этого проекта российские корни. XFEL сможет фотографировать структуры размером меньше нанометра и тем самым решать множество практических задач для биологии, химии, медицины, материаловедения. Изобретатель этой установки — Евгений Салдин, ныне сотрудник центра DESY (Германия) — рассказал РИА Новости о принципах ее работы и открывающихся научных перспективах.
Рентгеновское излучение используют для исследования структуры молекул уже почти сто лет. Тому способствует малая длина волны этой части электромагнитного спектра — порядка одного ангстрема (одна десятая нанометра). Фотоны просто рассеиваются на кристаллической решетке и создают на детекторе дифракционную картину, по которой с помощью программного обеспечения восстанавливают трехмерную структуру молекулы. Еще в середине XX века рентген помог понять, как устроена ДНК.
Раньше ученые использовали рентгеновские трубки, теперь к их услугам источники рентгеновского излучения большой яркости, которое образуется в кольцевых ускорителях электронов — синхротронах. Поэтому и излучение называют синхротронным.
Сгусток электронов в кольце разгоняется до околосветовых скоростей, испуская фотоны с разной длиной волны — вплоть до рентгеновского диапазона. Его отводят в каналы, где облучают образцы, а детекторы излучения фиксируют данные об атомном строении молекул. За сеанс можно проводить десятки различных опытов.
Если на пути электронного сгустка, который крутится в кольце, установить ряд сильных магнитов — ондуляторов, превращающих траекторию в синусоиду, —то качество сопутствующего излучения можно многократно повысить.
Мощный линейный ускоритель вместо синхротрона позволяет сформировать сгусток электронов очень высокой плотности и отличного качества. В длинном ондуляторе его излучение воздействует на электроны, усиливается и поступает очень короткими импульсами, превращаясь, по сути, в лазер огромной интенсивности. Теоретически всю его энергию можно сосредоточить в пятне диаметром порядка длины волны — одна десятая нанометра. Это и есть XFEL. А явление самоусиливающейся спонтанной эмиссии, лежащее в его основе, открыли в 1980-м советские физики из Новосибирска Анатолий Кондратенко, Ярослав Дербенев и Евгений Салдин.
Фантастическая идея, опередившая время
Евгений Салдин окончил физико-математическую школу при Новосибирском государственном университете, а затем и физфак. Поступил стажером в ускорительную лабораторию Института ядерной физики в Академгородке.
"Было огромное желание заниматься наукой, но осуществилось оно только в 1977 году, когда я начал работать вместе Ярославом Сергеевичем Дербеневым и Анатолием Михайловичем Кондратенко, которых считаю своими учителями", — рассказывает РИА новости Евгений Салдин.
В том году в Стэнфорде заработал первый лазер на свободных электронах (free electron laser, или FEL) с длиной волны в три микрона — и новосибирские ученые подключились к этому направлению. Но если большинство физиков по всему миру работали в оптическом диапазоне, стараясь максимально усилить яркость пучка, то Салдин с коллегами задумали создать FEL в миллионы раз более мощный и сосредоточились на рентгеновском диапазоне.
"В то время наша работа выглядела как научная фантастика. Рецензент из журнала Nuclear Instrument and Method Journal так и написал в отзыве на статью, что это все "science fiction". И добавил: "Но кто знает, что будет через двадцать лет". Поэтому публикация состоялась", — продолжает ученый.
Публикации в зарубежных журналах принесли Салдину мировую известность. Он собрал вокруг себя группу молодых энтузиастов и следующие десять лет разрабатывал тему, которая в 1999 году завершилась монографией The Physics of Free Electron Laser.
Последующее развитие физики показало правоту новосибирцев. Квантовые лазеры быстро вытеснили FEL в оптическом диапазоне. Напротив, лазеры на свободных электронах в рентгеновском диапазоне (XFEL) с большим коэффициентом усиления приобрели популярность во всем мире, несмотря на большие размеры и стоимость. За последние два года XFEL ввели в строй в Германии, Южной Корее, Швейцарии.
Россия спасает репутацию Ангелы Меркель
В 1990-х в Исследовательском центре физики высоких энергий DESY под Гамбургом планировали строить линейный электрон-позитронный ускоритель длиной в 30 километров с энергией в половину тераэлектронвольта — TESLA. Однако работы свернули в связи с закрытием национальной программы по физике высоких энергий. Все исследования в этом направлении перевели в ЦЕРН.
Аналогичную конверсию национальных программ по физике высоких энергий предприняли другие страны ЕС. Располагая полномочиями и средствами, собранными со стран-участниц, в ЦЕРН решили, что в ближайшее двадцатилетие сосредоточатся на Большом адронном коллайдере и строить линейный электрон-позитронный ускоритель не будут.
Чтобы сохранить научные школы и сотрудников, DESY переориентировали на рентгеновский лазер, для которого требовался линейный ускоритель, а не кольцевой, и можно было задействовать наработки TESLA. Изобретателя XFEL Евгения Салдина пригласили в 1994 году для создания прототипа, и уже в начале 2000-го рентгеновский лазер TTF1 на длине волны 80 нанометров успешно заработал, сразу показав уникальные возможности исследования атомов и молекул.
Эта установка буквально спасла центр DESY от закрытия и помогла преодолеть сложный период смены научной специализации. Хотя не все шло гладко. Поверив в успех TTF1, правительство Германии задумало построить самый мощный в мире рентгеновский лазер совместно с другими странами ЕС. Бюджет проекта составил один миллиард евро. Германия сразу внесла 500 миллионов евро. А вот с софинансированием возникли сложности.
Согласно закону, стройку можно начинать, только если на счетах проекта есть 75% бюджета. Канцлер Германии Ангела Меркель оказалась в тупиковой ситуации: создать первый в мире XFEL было делом чести, но проект застопорился. Ситуацию спасла Россия, внесшая в 2009 году 250 миллионов евро. После этого проект стартовал.
Сверхзадача по расшифровке белков
Задержка с финансированием стоила Европе приоритета. Первыми XFEL запустили США (установка LCLS в Стэнфорде) — и в 2012 году расшифровали с его помощью структуру белка, вызывающего африканскую сонную болезнь. Однако Евгений Салдин не считает это крупным научным прорывом. По его мнению, структуры белков расшифровывают на источниках специализированного синхротронного излучения (ИССИ) примерно по две тысячи в год. Всего на данный момент определено около ста тысяч структур из более чем двухсот миллионов.
Другое дело — расшифровка всех биологически активных белковых структур. Сделать это на обычных ИССИ невозможно. Чтобы исследовать биомолекулу, нужно ее превратить в кристалл. Но лишь малая часть белков поддается этой процедуре. Проблема и в том, что кристалл должен быть достаточно крупным. Размеры уменьшили благодаря ИССИ последнего поколения, что несколько расширило круг изучаемых белков, но предел уже был достигнут.
"При рассеянии фотонов на образце идет их поглощение, которое разрушает молекулу задолго до того, как нужную информацию унесет рассеянное излучение. Тогда был предложен новый метод — diffraction before distruction (дифракция до разрушения). Применить его можно только на XFEL", — поясняет Евгений Салдин.
В Стэнфорде, например, удалось уменьшить размер кристаллов до десяти микрон и умещать в них до десятка тысяч молекул белка.
"Это расширяет круг белков, структуру которых можно расшифровать, но незначительно", — подчеркивает ученый.
Кардинальное решение проблемы — в том, чтобы определять структуру белка по одной молекуле, не кристаллизуя ее. Для этого нужен более совершенный лазер. Импульс рентгеновского излучения нужен столь короткий — порядка пяти фемтосекунд, — чтобы электроны не успели покинуть молекулу изучаемого вещества. Тогда на детектор поступит неискаженная картина молекулярной структуры. При этом каждый импульс должен содержать достаточно фотонов, а значит, пиковую мощность лазера следует увеличить до тераватта.
"Это сверхзадача для рентгеновского диапазона, которую мы решаем на европейском XFEL. В будущем мы увеличим число фотонов в коротком импульсе в сто раз по сравнению с LCLS. Сейчас же отрабатывается впрыск молекулы в детектор и совершенствуется программное обеспечение, которое, как и в томографии, имеет решающее значение", — говорит Салдин.
Новая методика, отрабатываемая в DESY, позволит в считаные часы расшифровывать структуру любого белка. Это будет способствовать очень быстрому прогрессу в биологии и медицине, сравнимому с расшифровкой генома человека.
Зачем России ИССИ-4
В мире действуют порядка 60 ИССИ разных поколений. Два из них — в России: в Курчатовском институте в Москве и ИЯФ СО РАН в Новосибирске. По мнению Евгения Салдина, для такой большой территории имеет смысл создавать минимум три установки третьего поколения, представляющие собой синхротроны с множественными каналами вывода рентгеновского излучения. Строительство таких источников в мире хорошо отработано. А недавно их яркость значительно улучшили за счет магнитов особой конфигурации. Именно эти модернизированные источники в последнее время называют ИССИ-4.
На строительство уходит три-четыре года, при этом, в отличие от линейных ускорителей, подземные тоннели не требуются. До 80 процентов бюджета идет на создание и оборудование пути прохождения пучка электронов. Вряд ли получится обойтись только российскими материалами и оборудованием, что-то придется заказывать за рубежом. В то же время сверхпроводящие магниты для ондулятора отлично делают в Новосибирске. Кроме того, в процессе строительства и эксплуатации ИССИ вокруг него появится множество коммерческих фирм, где можно будет размещать заказы на детали и услуги.
По словам ученого, строительство ИССИ — мировой тренд, способный удовлетворить огромный запрос со стороны биологов, медиков, химиков, материаловедов. После этого, имея опыт и кадры, можно перейти к XFEL (который, строго говоря, неправильно называть ИССИ, поскольку источником излучения служит не синхротрон, а линейный ускоритель). Это автоматически потянет за собой бурное развитие различных отраслей науки и индустрии.
Например, в DESY вокруг XFEL действует центр по расшифровке структур биомолекул, создают центр по инфекционным болезням на базе ИССИ PETRA и EXFEL, фемто- и наноцентры, центры по трансферу технологий.
"Как показывает практика, никакого военного применения таких установок нет и не предвидится. Единственный проект, который реализуется, — лазер на свободных электронах в оптическом диапазоне с зеркалами. Причем на специально подобранной длине волны, поскольку водяной пар сильно поглощает по всем другим диапазонам. Обычные квантовые лазеры с этой задачей не справляются. Работы идут в Jefferson Lab, расположенной недалеко от военно-морской базы США. Возможно, в следующей декаде FEL будет готов для установки на авианосец", — отмечает исследователь.
Награды достоин
По мнению научного сообщества, изобретение вполне достойно высшей научной награды — Нобелевской премии по физике, поскольку оно знаменует собой освоение человечеством рентгеновского диапазона.
Недаром в 2015 году Нобелевский комитет организовал симпозиум, посвященный XFEL. С докладами на нем выступили три претендента на премию: американский физик Джон Мейди (John Madey), создатель лазера на свободных электронах (скончался в прошлом году), Евгений Салдин, изобретатель рентгеновского лазера XFEL, и Клаудио Пеллегрини (Claudio Pellegrini), инициатор строительства первой в мире установки этого типа (LCLS в Стэнфорде).
"Прорваться в рентгеновский диапазон не удавалось с помощью квантовых лазеров в течение примерно сорока лет, хотя суммарно деньги на это были потрачены огромные. Максимум, чего удалось достичь, — длины волны десять нанометров. А XFEL дал одну десятую нанометра за десять лет. Это достижение можно сравнить с географическим открытием, которое происходит только раз в истории человечества. Конечно, размеры установки пока большие, но освоение радиодиапазона тоже начиналось с ламповых приемников, а теперь там все миниатюрное благодаря полупроводникам", — заключает Евгений Салдин.
По информации https://ria.ru/science/20180513/1520396075.html
Обозрение "Terra & Comp".
