Saksamaal valmib maailma võimsaim röntgenlaser

Jaak Kikas, Marco Kirm, Kristjan Kunnus

Juuni alguses jooksis teadusuudistest läbi informatsioon, et Saksamaal Schenefeldis on lõpule jõudnud tööd võimsa teaduskompleksi, röntgenlaseri European XFEL tunnelisüsteemi (kogupikkusega 5,8 km) rajamisel. Millega on tegemist? Kas ja kuidas Eesti teadlased asjasse puutuvad?

Mis on röntgenlaser?

Röntgenlaseris saavad kokku kaks suurt teadusavastust – 1895. aastal Wilhelm Conrad Röntgeni avastatud röntgenkiired ja koherentse valguskiirguse allikas laser, millel paar aastat tagasi täitus 50 aastat. Röntgenlaser on koherentse röntgenkiirguse allikas, tema tööpõhimõte erineb aga siiski oluliselt enamiku teiste laserite tööpõhimõttest. Tavalaserites kogub laserikiir oma energia kokku seadme aktiivkeskkonnas asuvate aatomite või molekulide ergastatud seisunditelt. Seejuures läbib kiir resonaatoris asuvat aktiivkeskkonda palju kordi, rebides igal uuel läbimisel endaga kaasa uusi valgusosakesi – footoneid (stimuleeritud kiirgus). Sedasi kiirgus võimendub. Kõik uued footonid on sama sagedusega ja liiguvad samas suunas – öeldakse, et laserivalgus on monokromaatne ja hästi kollimeeritud. Ka võib selline valgukiir omandada ülisuure võimsuse – saab ju seetõttu kasutada lasereid ka metallide lõikamiseks!

Miks samu põhimõtteid ei saa kasutada siis koherentse röntgenkiirguse saamiseks? Põhjusi on kaks. Esiteks puuduvad aatomites-molekulides sobivad (piisavalt suure energiaga ja piisavalt kaua elavad) seisundid stimuleeritud röntgenkiirguse saamiseks. Teine põhjus tuleneb röntgenkiirguse enese omadustest. Tavalaserites saavutatakse resonaatori paljukordne läbimine ja kiire võimendumine peegeldumisega resonaatori otstes asuvatelt peeglitelt. „Röntgenpeegleid” on pea võimatu valmistada, kuna nii lühikese lainepikkusega kiirgus peaaegu ei peegeldu – eks seepärast saavadki meedikud röntgenkiiri kasutada meie läbivaatamiseks. Röntgenlaseri töökeskkonnaks on aga vabalt liikuvad ülikiired elektronid, mille energiad ulatuvad kümnetesse gigaelektronvoltidesse (European XFELis kuni 20 GeV) ja kiirused kuni 99,999999995% valguse kiirusest. Klassikalisest elektrodünaamikast on teada, et iga kiirendusega liikuv elektrilaeng kiirgab elektromagnetlaineid – seda lühema lainepikkusega (suurema sagedusega), mida suurem on kiirendus. Röntgenlaseris sunnib elektrone sirgjoonelisest teest kõrvale kalduma (kiirenevalt liikuma) väline ruumis muutuv magnetväli. See paneb elektronid liikuma sinusoidsel trajektooril ja seetõttu ka kiirgama. Sellisel põhimõttel töötavat röntgenlaserit kutsutakse aktiivkeskkonna tõttu ka laseriks vabadel elektronidel (ingl free-electron laser, FEL). Kuna röntgenpeeglitega on lood, nagu mainitud, halvad, peab sellises laseris kiir kogu oma energia kokku koguma seadme ühekordsel läbimisel – siit siis seletus seadme mõõtmetele (kilomeetrid!).

Miks on seade maapõue peidetud? Teadlased (kui just geoloogidega tegemist ei ole) poevad maa alla üldiselt kahel põhjusel: et maapealsed asjad ei segaks ja/või et oma tegemistega ise maapealseid asju mitte häirida. Maapõues on lihtsam tagada seadmete tööks vajalik stabiilne keskkond. Teiseks on oluline asjaolu, et röntgenkiirgus on ohtlik elusorganismidele ja seepärast on maasse pugemine elementaarne kaitse kiirguse eest. Nii ei sega kõrgtehnoloogiline teadusrajatis Hamburgi ja Schenefeldi linnakodanike igapäevaelu. Ka varem osakeste füüsika heaks töötanud HERA kiirendi kuue kilomeetri pikkune tunnel kulgeb maapõue sügavuses ja hamburglased on selle üle uhked, et nende kodu asub maailmateaduse kohal.

Milleks võib röntgenlaser kasulik olla?

Miks on vaja ehitada nii võimas seade nagu nüüd Schenefeldis valmiv? Teaduse eesliin asub ikka äärmustes. Kui satelliidid kosmoses (nt Planck, Gaia) avavad meile universumi saladusi, siis röntgenlaserid avavad unikaalsed võimalused uurida üliväikseid objekte või ülikiireid protsesse, nt keemilisi reaktsioone. Selliste uute valgusallikate intensiivsus ja eredus on hästi suured, ületades kordades oma eelkäijate sünkrotronkiirgusallikate võimalusi. Nende abil on võimalik eristada väga haruldasi nähtusi ja määrata ainete koostiselemente, kui nende kontsentratsioon on üliväike. See teeb võimalikuks näiteks viiruste uurimise aatomi täpsusega, rakkudes leiduvate molekulide määramise. Keeruliste biomolekulide struktuur ja funktsionaalsus on üks peaküsimusi saamaks aru haigustest ja leidmaks paremaid ravimeid. Struktuuri määramine on imelihtne ainete puhul, mida on võimalik kristalliseerida ja seda ka rakendatakse vastavates uuringutes, paraku ei ole see kasutatav kõikide bioloogiliste objektide korral. Kalk röntgenkiirgus kahjustab bioloogilisi objekte. Hamburgis asuva maailma esimese pehme-röntgeni piirkonnas (kuni 300 eV ehk 4,2 nm) töötava vabaelektronlaseri FLASH (töötab alates 2005. aastast) abil on aga kontrollitud unikaalset meetodit, mis võimaldab jäädvustada vajalikud röntgendifraktsiooni andmed uuritava molekuli hävimise käigus n-ö ühe pauguga.

Viimase kahe-kolmekümne aasta jooksul on küpseks saanud kaks olulist tehnoloogiat, mis on määravalt panustanud eksperimentaalfüüsika ja -keemia arengusse. Esiteks, tavalaserite süsteemid, mis tüüpiliselt töötavad infrapunase kuni nähtava valguse piirkonnas, on nüüd rutiinselt võimelised töötama režiimis, kus nad genereerivad ülilühikesi valgus­impulsse (kestusega suurusjärgus 1 femtosekund ehk miljondik miljardikku sekundit!). See on võimaldanud uue distsipliini, femtokeemia tekkimise – see tüüpiline keemiline elementaarprotsess, nt keemilise sideme katkemine või tekkimine, võtab aega femtosekundi suurusjärgus. Teiseks oluliseks arenguks on olnud sünkrotronidel põhinevate röntgenkiirguse allikate areng. Sünkrotronseadmete areng, mis eelnes röntgenlaserite tekkimisele, on olnud tõukeks röntgenspektroskoopia meetodite täiustamisele. Röntgenspektroskoopia meetoditega on võimalik koguda informatsiooni väikseima keemiliselt olulise ühiku, aatomi, tasandil. Röntgenlaserite ilmumisega on esimest korda tekkinud võimalus laserite ja röntgenspektroskoopia tehnoloogia ühendamiseks. Loodetavasti viib see olukorrani, kus me oleme suutelised „filmima” keemilisi reaktsioone atomaarse lahutusega reaalajas. See võimaldaks mõista keemilisi reaktsioone kõige fundamentaalsemal tasandil.

Kuidas kasutatakse?

Mõistetav, et niisuguste hiidseadmete vastu tunnevad huvi paljude riikide teadlased. Paljude selliste projektide rahastamisel osalevad riigid ühiselt, projektis European XFEL osaleb näiteks 12 riiki. Üldlevinud teaduspraktika järgi on suured eksperimentaalkompleksid avatud kasutuseks kõikidele soovijatele, kes suudavad oma eesmärke põhjendada. Ühel selle loo autoritest on olemas värske isiklik kogemus samalaadsel seadmel töötamisest Californias Stanfordis.

2009. aastal alustas Stanfordi lineaarkiirendi keskuses (SLAC) tööd maailma esimene kalgi röntgenkiirguse laser LCLS (Linac Coherent Light Source). LCLS töötab samal põhimõttel nagu Saksamaale ehitatav XFEL. Tema põhikomponendiks on ligi kolm kilomeetrit pikk lineaarkiirendi, mis kiirendab elektrone kuni energiani 14,3 GeV. Tegemist on muuseas sama kiirendiga, millega 1960ndate aastate lõpus tõestati, et prootonitel ja neutronitel on sisemine kvarkstruktuur. LCLS kiirendi põhineb vanemal, klassikalisel raadiosagedusresonaatorite tehnoloogial, samal ajal kui XFEL kasutab uuemat, ülijuhtivast nioobiumist valmistatud resonaatoreid, mille hüvetegur on suurusjärgu võrra parem. Tulemuseks on, et kui LCLS genereerib kuni 120 kiirgusimpulssi sekundis, siis ehitatav XFEL peaks suutma genereerida märgatavalt rohkem – kuni 27 000 kiirgusimpulssi sekundis. Eksperimentaatori jaoks tähendab see suurt edasiminekut. Eksperimendi korraldamine röntgenlaseril erineb mitmes mõttes rutiinsest tööst tüüpilises füüsikalaboris.
LCLSis, nagu ka teistes samalaadsetes laborites, on iga eksperimendi jaoks ette nähtud väga piiratud aeg – tavaliselt on ühe eksperimendi jaoks eraldatud viis vahetust, iga vahetus pikkusega 12 tundi. See omakorda nõuab väga hoolikat ettevalmistust, mis tihti kestab kuid. Oma ressursimahukuse tõttu on eksperimendid röntgenlaseril tihti koostööprojektid mitme uurimisinstituudi vahel, uurimisprobleemid on sageli interdistsiplinaarsed ja osalevad nii füüsikud, keemikud, bioloogid kui ka matemaatikud.

Teise olulise aspektina tuleb mainida, et eksperiment LCLSis peab toimuma kaugjuhtimise teel. Ohutuse tõttu asub eksperiment eraldi varjestatud ruumis, millele ligipääs eksperimendi ajal ei ole võimalik. Peale üldise kiirgusohutuse tuleb meeles pidada, et röntgenlaseri kiirgus on äärmiselt intensiivne. Sarnaselt suure võimsusega tavalaseritega on fookustatud röntgenlaseri kiir võimeline näiteks läbi lõikama paksust metallist. Seetõttu on kogu eksperimendi seade motoriseeritud ja kaugjuhitav kõrval asuvast kontrollruumist.

Mis sünnib Lundis?

Rootsis Lundis on ehitamisel täiesti uus kiirendite kompleks MAX-IV, kuhu kerkib ka Eesti kiirekanal (vt ka „Ei ole eesti teadust, on teadus ning Eesti ja eestlaste osa selles” – Marek Strandbergi usutlus akadeemik Ergo Nõmmistega, Sirp, 20. XII 2012). Loomulikult ei saa ükski endast lugupidav sünkrotronkiirguse labor läbi ilma ülilühikesi impulsse genereeriva allikata. Kuna vaba elektronlaseri tehnoloogia on väikesele riigile nagu Rootsi kallis, siis MAX-IV alustab FEMTOMAX-kiirekanaliga, mis kasutab ära MAX-IV sünkrotronide elektronidega täitmiseks vajaliku 300 m pikkuse lineaarkiirendi võimalused ja genereerib esialgsete plaanide kohaselt „pikemaid“ 100 fs impulsse footonite energiaga 2–20 keV, mis on sobivad materjalide aeglahutusega difraktsioonuuringuteks. Kaugemas tulevikus nähakse ette vabaelektronlaseri rajamise võimalus, kus impulsi pikkus peaks olema alla 25 fs. Eesti teadlasi seob Lundiga pikaaegne koostöö ja eksperimentaalvõimaluste avardumisest ollakse ülimalt huvitatud.

http://www.lightsources.org/regions.

Kui nüüd on lugejale jäänud mulje, et vabaelektronlaserid asendavad nende vanemad – sünkrotronkiirguse allikad –, siis nii see kindlasti ei ole. Eri tüüpi valgusallikad täiendavad üksteist oma eksperimentaalsete võimalustega. Mõneti meenutab see ehk kunagi Hubble’i kosmoseteleskoobi eel käibinud arvamust, et nüüd jäävad kõik maapealsed „torud” ilma tööta. Aga ei jäänud: teaduslike uuringute front on sedavõrd avardunud, et sobivat rakendust leiavad ka seadmed, mis ei tööta võimaluste piiril.