المملكة المتحدة تبدأ أعمال التصميم الخاصة بليزر الإلكترون الخالي من الأشعة السينية

أطلقت المملكة المتحدة رسميًا بدء أعمال التصميم لمنشأة ليزر الإلكترون الخالي من الأشعة السينية (XFEL) من الجيل التالي. التقى أكثر من 150 باحثًا في الجمعية الملكية يوم الاثنين لمناقشة خطط XFEL ومقرها المملكة المتحدة التي ، إذا أعطيت الضوء الأخضر ، يمكن بناؤها في العقود القادمة. سيعقد الباحثون الآن سلسلة من الاجتماعات في جميع أنحاء المملكة المتحدة لقياس الاهتمام بالمنشأة ومناقشة نوع العلوم التي قد تنتجها.

بينما تستخدم السنكروترونات الأشعة السينية لإنتاج صور ثابتة ، أو لقطات ، لعينة قيد التحقيق ، يمكن لـ XFELs دراسة العمليات الديناميكية لأنها تولد نبضات من حزم أشعة سينية مكثفة ومتماسكة عشرات الآلاف من المرات في الثانية (انظر الإطار أدناه). كل نبضة تدوم أقل من 100 fs (10^-13 ق) ، مما يعني أنه يمكن للباحثين ، على سبيل المثال ، إنشاء "أفلام" لعمليات الترابط الكيميائي أو تحليل الطريقة التي تتدفق بها الطاقة الاهتزازية عبر المادة.

XFELs ليست جديدة ، مع أول مرفق من هذا القبيل يتم طرحه عبر الإنترنت هو مصدر ضوء متماسك Linac (LCLS) في مختبر المسرع الوطني SLAC في الولايات المتحدة. بدأ البناء في عام 2005 واكتمل بعد أربع سنوات. يخضع المرفق الآن لعملية ترقية رئيسية - تُعرف باسم LCLS الثاني - سيتضمن ذلك زيادة عدد نبضات الأشعة السينية في الثانية من 120 في LCLS إلى مليون في LCLS II.

سرعان ما تم افتتاح XFELs الأخرى في اليابان وألمانيا وكوريا الجنوبية وسويسرا مما يعني أن هناك الآن خمسة مرافق مستخدم من هذا القبيل في جميع أنحاء العالم. في عام 2008 ، بدأت المملكة المتحدة أيضًا في النظر في استضافة XFEL مخصص لكن الخطط فشلت في الحصول على قوة دفع. اختارت المملكة المتحدة بدلاً من ذلك الانضمام إلى ليزر إلكترون أوروبي خالٍ من الأشعة السينية (European XFEL) في مختبر DESY بالقرب من هامبورغ ، ألمانيا.

يتميز الطراز الأوروبي XFEL ، الذي حقق أول ضوء 2017 ، بمسرع خطي فائق التوصيل بطول 2.1 كيلومتر يمكنه تسريع الإلكترونات إلى 17.5 جيجا إلكترون فولت. ينتج المرفق نبضات من الأشعة السينية 27 مرة في الثانية ، مع استمرار كل نبضة أقل من 000 fs. في عام 100 ، تم نشر أكثر من 2022 مقالة بناءً على التجارب التي أجريت في المنشأة.

شاركت المملكة المتحدة في البداية مع XFEL الأوروبي من خلال تطوير التكنولوجيا وتصميم الأدوات والمساهمة في البناء والانضمام إلى اتحادات المستخدمين. المملكة المتحدة مصدر ضوء الماس في أوكسفوردشاير تستضيف أيضًا "محاور XFEL”- في العلوم الفيزيائية والحياتية - حيث يتلقى مستخدمو XFEL الأوروبي في المملكة المتحدة الدعم من حيث التدريب ، وإعداد العينات ومعالجة البيانات.

في 2018، ثم أصبحت المملكة المتحدة الدولة الثانية عشرة للانضمام إلى XFEL الأوروبي ، والمساهمة بحوالي 26 مليون يورو - أو 2 ٪ - في تكلفة بناء منشأة بقيمة 1.22 مليار يورو (الأسعار المعادلة لعام 2005). بدأت المملكة المتحدة أيضًا في دفع 2٪ من تكاليف التشغيل السنوية للمنشأة ، على الرغم من أن هذا الرقم ارتفع الآن إلى 7٪ مع مشاركة المملكة المتحدة في نسبة مماثلة من التجارب.

يمكن أن تكون التكاليف التشغيلية لمنشأة XFEL كبيرة. تبلغ تكلفة تشغيل XFEL الأوروبي ، على سبيل المثال ، 140 مليون يورو ، مما يعني أن إجراء 100 تجربة تم إجراؤها في المنشأة العام الماضي تكلف كل منها حوالي 1.4 مليون يورو. ولكن مع زيادة الاكتتاب في XFEL الأوروبي خمس مرات ، لا تزال هناك قدرة على المزيد من الآلات ، وفي عام 2015 بدأت المملكة المتحدة في إعادة فحص حالة XFEL الخاصة بها.

بناء الخاصة بك

نتيجة للطلب المتزايد على XFELs ، مجلس منشآت العلوم والتكنولوجيا (STFC) - إحدى وكالات تمويل الأبحاث التسعة في المملكة المتحدة - أجرى مراجعة استراتيجية ليزر الإلكترون الحر، والتي أكملتها في عام 2016. وخلصت المراجعة إلى أن المملكة المتحدة يجب أن تضمن أنها في "وضع يمكنها من اتخاذ القرار النهائي بشأن بناء XFEL" بحلول عام 2020.

فاتت المملكة المتحدة هذا الموعد النهائي لكنها نشرت حالة علمية من UK XFEL في ذلك العام. ساعد أكثر من 100 عالم من جميع أنحاء العالم في صياغة التقرير ، الذي أوصى المملكة المتحدة ببناء آلة قادرة على إنتاج أشعة سينية بطاقة تتراوح بين 0.1 كيلوفولت و 150 كيلوفولت ومدة نبضة من 100 أتوثانية إلى 1 fs ، مما يسمح بظهور جديد. الأنظمة المراد استكشافها.

قد يكون شكل XFELs في 2030 أو 2040 مختلفًا تمامًا عما تبدو عليه اليوم

مايك دن

في أكتوبر 2022 ، تم تعزيز عرض المملكة المتحدة XFEL بمبلغ 3.2 مليون جنيه إسترليني من المملكة المتحدة للبحوث والابتكار - المنظمة الجامعة لمجالس الأبحاث التسعة في المملكة المتحدة - لإجراء مراجعة للتصميم المفاهيمي. من المتوقع أن يستغرق إكماله حوالي ثلاث سنوات وسيشمل أيضًا تحديث حالة العلوم. وفقًا للفيزيائي إيان والمسلي ، عميد إمبريال كوليدج لندن ، فإن المراجعة هي "خطوة مهمة" للمشروع.

خلال الحدث في الجمعية الملكية ، حدد العلماء ما يمكن أن تحققه المنشأة الجديدة. وهذا يشمل المواد الكمومية ، والبيولوجيا الهيكلية الديناميكية وحتى كفيزيائي ومستخدم XFEL إيما ماكبرايد من جامعة كوينز بلفاست ، الحصول على فهم أفضل للظروف داخل الكواكب.

ديفيد دانينغ، عالِم فيزياء من مركز Accelerator Science and Technology Center (ASTeC) في مختبر دارسبري ، يلاحظ أن المملكة المتحدة XFEL تشغل مسرعًا خطيًا فائق التوصيل 8 GeV "سيغطي الكثير من القاعدة العلمية" التي خرجت من استطلاع المستخدمين المحتملين. ولكن سيتم الآن التحقيق في متطلبات الطاقة هذه بمزيد من التفصيل أثناء مراجعة التصميم النظري.

إشراك المجتمع

مسح لمجموعات البحث في المملكة المتحدة، الذي تم إجراؤه كجزء من حالة علم المملكة المتحدة XFEL ، أشار إلى أن أكثر من 500 عالم بريطاني شاركوا بنشاط في علوم XFEL في العقد الماضي. لكن جون مارانجوس من إمبريال كوليدج لندن ، وهو رائد العلوم في UK XFEL ، يقول إنه سيكون من الأهمية بمكان في السنوات القادمة توسيع مشاركة المجتمع العلمي للتأكد من أن علم XFEL لا يتحول إلى زمرة من المستخدمين.

كجزء من مراجعة التصميم المفاهيمي ، ستعقد الآن سلسلة من الفعاليات وورش العمل على غرار "قاعة المدينة" في جميع أنحاء البلاد. تأمل UKRI في أن تجمع هذه الاجتماعات المجتمع معًا وتسمح له بشرح ما يمكن أن تفعله هذه الآلات للعلماء. من المتوقع عقد حدث واحد كل ثلاثة أشهر حتى نهاية عام 2024.

كان الموضوع الرئيسي الذي ظهر في اجتماع الجمعية الملكية هو حاجة المملكة المتحدة إلى التفكير في أقرب وقت ممكن بشأن العملية التنظيمية الضرورية نظرًا لأنه من المحتمل أن يتم بناء XFEL في المملكة المتحدة ، جزئيًا على الأقل ، في منطقة الحزام الأخضر. جيم كلارك من ASTeC سلط الضوء على أن الاستدامة ستكون أيضًا جزءًا أساسيًا من التصميم. يمكن أن يشمل ذلك ، على سبيل المثال ، استخدام الموصلات الفائقة في تجاويف التردد الراديوي التي يمكن أن تعمل بفعالية في درجات حرارة أعلى من 2 كلفن.

كان المسؤولون في حدث لندن حريصين على الاعتراف بأن الشرط الرئيسي لـ UK XFEL هو أنه يجب أن يكون لديها قدرات غير ممكنة حاليًا في أي مكان آخر. هذا الرأي مدعوم من قبل مدير LCLS مايك دن الذي أخبر المندوبين أن الابتكار سيكون المفتاح عند تصميم مرفق من الجيل التالي. يقول: "كيف تبدو XFELs في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين قد تكون مختلفة جدًا عما تبدو عليه اليوم".

لقد بدأنا للتو في خدش سطح ما يمكن أن تفعله هذه الآلات

إيما ماكبرايد

ومع ذلك ، فإن قرار بدء العمل على مراجعة التصميم النظري لا يعني أنه سيتم بناء المملكة المتحدة XFEL. كما أوضح المتحدثون في اجتماع الجمعية الملكية ، قد يستنتج أن الآلة باهظة الثمن وأن الخيار الأفضل سيكون دعم التطورات وتعميق العلاقات في منشأة أخرى.

ولكن إذا تم اعتبار الخيار الذي يتخذ من المملكة المتحدة هو أفضل رهان وكان هناك تمويل متاح ، فإن الخطوة التالية ستكون تصميمًا هندسيًا على التصميم المفضل. على الرغم من أن المستخدمين قد يضطرون إلى الانتظار عدة عقود لبدء التجارب على XFEL في المملكة المتحدة ، إلا أن الجهاز يمكن أن يقدم الكثير للعلم. يلاحظ ماكبرايد: "لقد بدأنا للتو في خدش سطح ما يمكن أن تفعله هذه الآلات".

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/