UK starter designarbejdet for en røntgenfri-elektronlaser

UK starter designarbejdet for en røntgenfri-elektronlaser

Tidsstempel: 1. februar 2023 kl. 10:25

Europæisk XFEL linact
Skinnende lys: Den vigtigste linac ved European X-ray Free-Electron Laser i Hamborg, Tyskland (udlånt: D Nölle/DESY).

Storbritannien har officielt lanceret starten på designarbejdet for en næste generation af X-ray free-electron laser (XFEL) facilitet. Over 150 forskere mødtes på Royal Society mandag for at drøfte planerne for UK-baseret XFEL der, hvis det får grønt lys, kan bygges i de kommende årtier. Forskere vil nu holde en række møder i hele Storbritannien for at måle interessen for en facilitet og diskutere, hvilken slags videnskab den kan producere.

Mens synkrotroner bruger røntgenstråler til at producere statiske billeder eller snapshots af en prøve, der undersøges, kan XFEL'er studere dynamiske processer, fordi de genererer impulser af intense, sammenhængende røntgenstråler titusindvis af gange i sekundet (se boksen nedenfor). Hver impuls varer mindre end 100 fs (10-13 s), hvilket betyder, at forskere for eksempel kan skabe "film" af kemiske bindingsprocesser eller analysere, hvordan vibrationsenergi flyder hen over et materiale.

XFEL'er er ikke nye, med den første facilitet, der kommer online, er Linac kohærent lyskilde (LCLS) på SLAC National Accelerator Laboratory i USA. Byggeriet begyndte i 2005 og stod færdigt fire år senere. Anlægget gennemgår nu en større opgradering - kendt som LCLS II – det vil involvere at øge antallet af røntgenimpulser i sekundet fra 120 i LCLS til en million i LCLS II.

Andre XFEL'er åbnede snart i Japan, Tyskland, Sydkorea og Schweiz, hvilket betyder, at der nu er fem sådanne brugerfaciliteter rundt om i verden. I 2008 begyndte Storbritannien også at overveje at være vært for en dedikeret XFEL, men planerne lykkedes ikke at vinde indpas. Storbritannien valgte i stedet at tilslutte sig Europæisk røntgenfri elektronlaser (European XFEL) på DESY-laboratoriet nær Hamborg, Tyskland.

Den europæiske XFEL, som opnåede det første lys i 2017, har en 2.1 km superledende lineær accelerator, der kan accelerere elektroner til 17.5 GeV. Anlægget producerer pulser af røntgenstråler 27 gange i sekundet, hvor hver puls varer mindre end 000 fs. I 100 blev der publiceret mere end 2022 artikler baseret på forsøg udført på anlægget.

Storbritannien var oprindeligt involveret i det europæiske XFEL ved at udvikle teknologi, designe instrumenter, bidrage til konstruktion og tilslutte sig brugerkonsortier. Storbritanniens Diamant lyskilde i Oxfordshire er også vært for to "XFEL nav” – inden for fysik og biovidenskab – hvor britiske brugere af det europæiske XFEL får støtte i form af træning, prøveforberedelse og databehandling.

I 2018, blev Storbritannien blev derefter det 12. land at tilslutte sig det europæiske XFEL, der bidrager med omkring 26 mio. EUR – eller 2 % – til omkostningerne ved at bygge faciliteten på 1.22 mia. EUR (ækvivalente priser i 2005). Storbritannien begyndte også at betale 2% af de årlige driftsomkostninger for anlægget, selvom det tal nu er steget til 7%, hvor Storbritannien er involveret i en tilsvarende procentdel af eksperimenter.

Driftsomkostningerne for en XFEL-facilitet kan være betydelige. Den europæiske XFEL har for eksempel en årlig driftsomkostning på €140 mio., hvilket betyder, at de 100 eksperimenter, der blev udført på anlægget sidste år, hver kostede omkring €1.4 mio. at udføre. Men da den europæiske XFEL er blevet fem gange overtegnet, er der stadig kapacitet til flere maskiner, og i 2015 begyndte Storbritannien at genoverveje sagen for sin egen XFEL.

Byg din egen

Europæisk XFEL
Stort fodaftryk: luftfoto af den europæiske XFEL, som er over 3 km lang. (Med høflighed: European XFEL)

Som et resultat af den stigende efterspørgsel efter XFEL'er, Rådet for videnskab og teknologi (STFC) – et af de ni forskningsfinansierende agenturer i Storbritannien – gennemført en fri-elektron laser strategisk gennemgang, som den afsluttede i 2016. Gennemgangen konkluderede, at Storbritannien skulle sikre, at det er i "en position til at tage den endelige beslutning om, hvorvidt der skal bygges en XFEL" inden 2020.

Det Forenede Kongerige missede den deadline, men offentliggjorde en britisk XFEL-videnskabscase det år. Mere end 100 forskere fra hele verden hjalp med at udarbejde rapporten, som anbefalede Storbritannien at bygge en maskine, der er i stand til at producere røntgenstråler med en energi mellem 0.1 keV og 150 keV og en pulsvarighed på 100 attosekunder til 1 fs, hvilket giver mulighed for nye regimer, der skal undersøges.

Hvordan XFEL'er ser ud i 2030'erne eller 2040'erne kan være meget anderledes end, hvordan de ser ud i dag

Mike Dunne

I oktober 2022 blev det britiske XFEL-forslag forstærket med £3.2 mio UK-forskning og innovation – paraplyorganisationen for Storbritanniens ni forskningsråd – til at gennemføre en konceptuel designgennemgang. Det forventes at tage omkring tre år at færdiggøre og vil også involvere en opdatering af videnskabscasen. Ifølge fysiker Ian Walmsley, prost ved Imperial College London, er gennemgangen et "vigtigt skridt" for projektet.

Under arrangementet i Royal Society skitserede videnskabsmænd, hvad en ny facilitet kunne undersøge. Dette inkluderer kvantematerialer, dynamisk strukturel biologi og endda, som fysiker og XFEL-bruger Emma McBride fra Queen's University Belfast forklaret, at få en bedre forståelse af forholdene inde i planeter.

David Dunning, en fysiker fra Accelerator Science and Technology Center (ASTeC) ved Daresbury Laboratory, bemærker, at en UK XFEL, der opererer en 8 GeV superledende lineær accelerator "ville dække en stor del af den videnskabelige base", der kom ud af undersøgelsen af ​​potentielle brugere. Men det energibehov vil nu blive undersøgt nærmere under den konceptuelle designgennemgang.

Fællesskabets engagement

En undersøgelse af forskningsgrupper i Storbritannien, udført som en del af den britiske XFEL-videnskabscase, indikerede, at over 500 britiske videnskabsmænd har haft aktiv involvering i XFEL-videnskab i det sidste årti. Men Jon Marangos fra Imperial College London, som er UK XFELs videnskabelige leder, siger, at det vil være afgørende i de kommende år at udvide det videnskabelige samfunds engagement for at sikre, at XFEL-videnskaben ikke bliver til en klike af brugere.

Robert Feidenhans'l
Fremtidsudsigter: Robert Feidenhans'l diskuterer udviklingen på den europæiske røntgenfri elektronlaserfacilitet i Hamborg, Tyskland (Courtesy: STFC)

Som en del af den konceptuelle designgennemgang, en række arrangementer og workshops i "rådhusstil" vil nu blive afholdt rundt om i landet. UKRI håber, at disse møder vil bringe samfundet sammen og lade det forklare forskerne om, hvad disse maskiner kan gøre. En begivenhed forventes at finde sted hver tredje måned indtil udgangen af ​​2024.

Et nøgletema, der dukkede op på Royal Society-mødet, var behovet for, at Storbritannien så tidligt som muligt tænker over den nødvendige reguleringsproces, da en britisk XFEL sandsynligvis skal bygges, i det mindste delvist, i et greenbelt-område. Jim Clarke fra ASTeC fremhævet, at bæredygtighed også vil være en central del af designet. Dette kunne for eksempel omfatte brug af superledere til radiofrekvente hulrum, der kan fungere effektivt ved temperaturer over 2 K.

Embedsmænd ved London-begivenheden var ivrige efter at erkende, at hovedkravet for en britisk XFEL er, at den skal have funktioner, som ikke i øjeblikket er mulige andre steder. Det synspunkt bakkes op af LCLS-direktør Mike Dunne der fortalte de delegerede, at innovation vil være nøglen, når man skal designe en næste generations facilitet. "Hvordan XFELs ser ud i 2030'erne eller 2040'erne kan være meget anderledes end, hvordan de ser ud i dag," siger han.

Vi er kun begyndt at ridse overfladen af, hvad disse maskiner kan

Emma McBride

Beslutningen om at påbegynde arbejdet med en konceptuel designgennemgang betyder dog ikke, at der vil blive bygget en UK XFEL. Som talere på Royal Society-mødet gjorde det klart, kan det konkludere, at maskinen er for dyr, og at en bedre mulighed ville være at støtte udviklingen og uddybe båndene på en anden facilitet.

Men hvis en britisk-baseret mulighed anses for at være den bedste indsats, og der er finansiering til rådighed, ville næste skridt være et ingeniørdesign på det foretrukne design. Selvom brugere måske skal vente flere årtier på at starte eksperimenter på en britisk XFEL, kan maskinen tilbyde meget til videnskaben. "Vi er kun begyndt at ridse overfladen af, hvad disse maskiner kan," bemærker McBride.

Sådan fungerer en røntgenfri-elektronlaser

XFEL'er virker ved at accelerere bundter af elektroner i en lineær accelerator til gigaelectronvolt (GeV) energier. Elektronerne føres derefter gennem "undulatorer", der får elektronerne til at følge en sinusformet bane og udsende synkrotronstråling i processen. Da fotonerne i starten er usammenhængende og koncentreret over et snævert bølgelængdeområde, forstærkes lyset til sammenhængende laserlys ved en proces kendt som selvforstærket spontan emission.

Når elektronerne bevæger sig gennem undulatoren, interagerer lyset, de udsender, med elektroner, der følger efter, og denne interaktion accelererer eller decelererer elektronerne afhængigt af deres position og lysets fase. Nettoresultatet er, at elektronerne samler sig, mens de rejser sig og dermed producerer lys i fase og med en højere intensitet.

Denne metode giver en røntgen-top-glans ved XFEL'er omkring 10 størrelsesordener større end eksisterende "tredje generation" synkrotronlyskilder. Lysets bølgelængde kan også nemt ændres ved at styre energien af ​​elektronstrålen i den lineære accelerator eller magnetfeltet i undulatorerne for at producere røntgenstråler med en bølgelængde så lille som 0.1 nm.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden