Šajā laboratorijā ir aukstāk nekā kosmosā. Kam tas vajadzīgs?
Foto: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laborator

Iekārtā gandrīz kilometru garā tunelī Menlopārkā, Kalifornijā, nu ir aukstāks nekā lielākajā daļā Visuma – vien divi grādi pēc Kelvina jeb mīnus 271,15 grādi pēc Celsija. Kā panākt tik stindzinošu aukstumu un kāpēc tas vispār vajadzīgs?

close-ad
Saturs turpināsies pēc reklāmas
Reklāma

Šī iespaidīgā iekārta ir SLAC jeb Stenforda lineārā paātrinātāja centra atbildībā. SLAC ir laboratorija ar visai cienījamu vēsturi un darbojas jau kopš 60. gadiem. Pati iekārta ir LCLS jeb "Linac Coherent Light Source" iekārtas pēctecis LCLS-II. Tas ir ārkārtīgi jaudīgs brīvo elektronu lāzers, kas ļauj ģenerēt intensīvus rentgentstarojuma pulsus. Pavisam vienkāršota shēma ir šāda – lineārajā paātrinātājā tiek paātrināti elektroni, kurus ar magnētiem iesvārsta. Šo svārstību rezultātā izdalās enerģija rentgenstarojuma veidā. Īsi pirms detektoriem elektroni no stara tiek "atsijāti", atstājot vien ļoti koncentrētu, precīzu rentgenstarojuma kūli. Ar to iespējams pētīt sīkas struktūras iepriekš nebijušā izšķirtspējā – vērot ķīmiskas reakcijas molekulārā līmenī, iegūt atsevišķu šūnu attēlus un pētīt norises olbaltumvielās. Tas būtībā ir kā ļoti spēcīgs, specifisks mikroskops. LCLS darbību sāka 2009. gada aprīlī, un kopš tā laika šīs iekārta unikālās spējas izmantojuši tūkstošiem zinātnieku no visas pasaules.

Taču rentgenstaru lāzera robežas ne tuvu nav sasniegtas, tāpēc tika uzsākts LCLS-II projekts, kura mērķis ir veiktspēju palielināt vairākkārt. Tam nepieciešamas stindzinošas temperatūras – vien divi grādi pēc Kelvina skalas. Kā zināms, 0 grādi pēc Kelvina skalas (mīnus 273,15 grādi pēc Celsija) ir arī absolūtā nulle jeb temperatūra, kurā apstājas visa siltumkustība – atomu un molekulu enerģija ir minimāla. Pat daudzviet Visuma plašumos starpzvaigžņu telpā temperatūra ir par kādu Kelvina grādu augstāka nekā šeit.

Lai paātrinātājā sasniegtu tik zemu temperatūru, tika izmantota dzesēšana ar hēliju, taču tas nebija vienkāršs uzdevums. Izdevumam "Live Science" procesu ieskicēja Ēriks Fouvs, SLAC eksperts, kurš atbildīgs par iekārtu dzesēšanu. Ķīmisko elementu un savienojumu viršanas temperatūra atkarīga arī no spiediena. Tā, piemēram, ūdens jūras līmenī vārās pie 100 grādiem pēc Celsija – to zina katrs pamatskolēns. Taču lielākā spiedienā – piemēram, spiediena katlos – šī viršanas temperatūra ir augstāka, tā ap 120 grādiem. Tieši tāpēc šādos traukos maltīti var pagatavot krietni ātrāk nekā katlā, kur ūdens vārās atmosfēras spiedienā. Savukārt augstu kalnos, kur gaiss ir retināts un spiediens mazāks, viršanas temperatūra ir zemāka.

Stanford-linear-accelerator-usgs-ortho-kaminski-5900
SLAC lineārais paātrinātājs iespaidīgā aerofoto no 2004. gada.


Līdzīgi ir ar hēliju, kas izmantots LCLS-II dzesēšanas sistēmās. "Atmosfēras spiedienā hēlijs vārīsies pie 4,2 grādiem pēc Kelvina. Spiedienam samazinoties, arī viršanas temperatūra samazinās. Lai šo viršanas temperatūru samazinātu līdz nepieciešamajiem diviem grādiem pēc Kelvina, mums dzesēšanas sistēmās jānodrošina 1/30 no normāla atmosfēras spiediena," skaidro Fouvs. Tas panākts ar sarežģītu kompresoru sistēmu, un šī ir viena no nedaudzajām vietām pasaulē, kur hēliju tik zemā temperatūrā var atdzesēt jau lielā mērogā.

Divi grādi pēc Kelvina skalas ir plānotā LCLS-II rentgenstaru lāzera darba temperatūra – pie šādas temperatūras tiek panākta supravadītspēja, attiecīgi paātrinātājs var "šaut" elektronus jau ar daudz mazākiem enerģijas zudumiem un ģenerēt arī daudz intensīvāku rentgenstarojumu.

LCLS-II rentgenstars būs apmēram 10 000 intensīvāks par LCLS iespēto, kā arī pulsācijas biežums būs daudz lielāks – apmēram 1 miljons pulsu sekundē iepriekšējo 120 vietā.

Zinātnieki varēs veikt daudz vairāk eksperimentu īsākā laika posmā (burtiski dažu stundu laikā varētu izdarīt tik, cik iepriekš vairāku gadu laikā), kā arī mērījumi būs daudz precīzāki. Smalkas atomu un subatomāru daļiņu mijiedarbības dažādos materiālos – gan mākslīgi veidotos, gan bioloģiskos –, ķīmisku un bioloģisku procesu norise bezprecedenta izšķirtspējā ļaus smalkāk izzināt, piemēram, tādus būtiskus procesus kā fotosintēze.

Pirmie rentgenstari no LCLS-II gaidāmi kaut kad vēlāk šajā gadā, bet nekur nav pazudis arī LCLS – abas iekārtas darbosies paralēli.

Lai ierobežotu dezinformācijas kampaņu izplatību, portāls "Delfi" apturējis iespēju komentēt rakstus

Tags

Daļiņu fizika Fizika Kvantu fizika
53545769
Inženierzinātnes
Publikācijas saturs vai tās jebkāda apjoma daļa ir aizsargāts autortiesību objekts Autortiesību likuma izpratnē, un tā izmantošana bez izdevēja atļaujas ir aizliegta. Vairāk lasi šeit.

Comment Form