Знание-сила, 2000 № 09 (879)

Ультраяркие Х-лучи

Сто лет назад Вильгельм Конрад Рентген открыл лучи, позволяющие заглядывать внутрь твердых тел, – в России они носят имя первооткрывателя, а на Западе по-прежнему называются Х-лучами. Восемьдесят лет из прошедшего столетия это открытие широко используется для определения положения атомов в жидких кристаллах, полупроводниках и даже в сложных биологических молекулах типа ДНК. А полвека назад было обнаружено новое – синхротроиное – излучение, которое еще шире раздвигает границы использования рентгеновских лучей. Оно позволяет буквально за минуты получить подробный внутренний портрет вещества – даже некристаллического и неоднородного.

Есть одно общее качество у полупроводников для миниатюрных компьютерных чипов, магнитных дисков для компьютеров, металлов и сплавов для высокопрочных структур, керамики для машин и турбин, работающих при высокой температуре, полимеров для облегченных деталей автомобиля и самолета, материалов для плоских экранов дисплеев – зависимость свойств от структуры. Современную промышленность и технологию более всего привлекает возможность изменения этой структуры для получения желаемых свойств.

В самом общем виде структура – это положение атомов и поведение электронов, вращающихся вокруг атомных ядер. Атомная структура твердых материалов варьируется от полностью упорядоченных кристаллов, где атомы расположены в точках решетки (дальний порядок), до полностью неупорядоченных образований. Многие материалы, такие как металлы и полупроводники, обладают симметрией дальнего порядка, но могут проявлять характеристики беспорядка на близких расстояниях, где внедрены примеси. Кроме того, материалы могут состоять из большого количества кристаллических зерен с разной ориентацией. Компьютерные чипы основаны на кристаллах кремния, а металлы и сплавы имеют поликристаллическую структуру. Стекла – наиболее известные аморфные материалы.

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.

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.

К примеру, в Чикагском университете отслеживали быстрые структурные перестроения миоглобина – белка, обнаруженного в мускулах и ответственного за накопление и перенос кислорода. Их можно представить в виде фильма, каждый кадр в котором получен в результате очень короткого наносекундного импульса рентгеновских лучей, фиксирующего изменения молекулы миоглобина через каждую миллисекунду. Исследователи пытаются понять, как молекулы кислорода захватываются и высвобождаются из «пещерообразных» структур миоглобина.

Современные источники синхротронного излучения обладают такой мощностью, что одного короткого импульса достаточно, чтобы получить отчетливый «снимок» белка. Правда, для этого требуется достаточно сложная электроника, чтобы отслеживать приход лазерных импульсов длиной менее наносекунды. В процессе эксперимента ученые исследуют поведение не кислорода, а окиси углерода, поскольку эта молекула легче отделяется от миоглобина под воздействием рентгеновских лучей.

Самый главный результат эксперимента: впервые удалось наблюдать развитие молекулярно-биологического процесса. Это первый шаг на пути к детальному (на атомном уровне) пониманию кинетики и динамики важных белковых реакций и одно из важнейших применений ультраярких источников излучения в ближайшем будущем. Наиболее перспективное направление развития таких источников – лазеры на свободных электронах, которые уже строятся вокруг очень длинных и сложных ондуляторов. Эта технология позволит получить пучки яркостью на много порядков величины больше, чем от современных накопительных колец. С их помощью ученые смогут продвинуться в понимании самых разных процессов и структур.

Александр Семенов