Großbritannien beginnt mit der Konstruktionsarbeit für einen Freie-Elektronen-Röntgenlaser

Großbritannien beginnt mit der Konstruktionsarbeit für einen Freie-Elektronen-Röntgenlaser

Zeitstempel: 1. Februar 2023, 10:25 Uhr

European XFEL-Linakt
Glänzendes Licht: Der Hauptbeschleuniger am Europäischen Freie-Elektronen-Röntgenlaser in Hamburg, Deutschland (mit freundlicher Genehmigung: D Nölle/DESY).

Das Vereinigte Königreich hat offiziell mit dem Beginn der Konstruktionsarbeiten für eine Anlage für Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) der nächsten Generation begonnen. Über 150 Forscherinnen und Forscher trafen sich auf der Royal Society am Montag, um Pläne für die zu besprechen Das in Großbritannien ansässige XFEL das, wenn grünes Licht gegeben wird, in den kommenden Jahrzehnten gebaut werden könnte. Forscher werden nun eine Reihe von Treffen in ganz Großbritannien abhalten, um das Interesse an einer Einrichtung abzuschätzen und zu diskutieren, welche Art von Wissenschaft sie hervorbringen kann.

Während Synchrotrons Röntgenstrahlen verwenden, um statische Bilder oder Schnappschüsse einer zu untersuchenden Probe zu erstellen, können XFELs dynamische Prozesse untersuchen, da sie Zehntausende Male pro Sekunde Impulse intensiver, kohärenter Röntgenstrahlen erzeugen (siehe Kasten unten). Jeder Puls dauert weniger als 100 fs (10-13 s), was bedeutet, dass Forscher beispielsweise „Filme“ von chemischen Bindungsprozessen erstellen oder die Art und Weise analysieren können, wie Schwingungsenergie durch ein Material fließt.

XFELs sind nicht neu, die erste Einrichtung dieser Art, die online geht, ist die Kohärente Linac-Lichtquelle (LCLS) am SLAC National Accelerator Laboratory in den USA. Der Bau begann 2005 und wurde vier Jahre später abgeschlossen. Die Anlage wird jetzt umfassend modernisiert – bekannt als LCLSII – dazu gehört, die Zahl der Röntgenpulse pro Sekunde von 120 in LCLS auf eine Million in LCLS II zu erhöhen.

Weitere XFELs wurden bald in Japan, Deutschland, Südkorea und der Schweiz eröffnet, sodass es mittlerweile weltweit fünf solcher Nutzereinrichtungen gibt. Im Jahr 2008 begann auch das Vereinigte Königreich mit der Überlegung, einen eigenen XFEL zu beherbergen, doch die Pläne konnten sich nicht durchsetzen. Das Vereinigte Königreich entschied sich stattdessen für den Beitritt Europäischer Freie-Elektronen-Röntgenlaser (European XFEL) im DESY-Labor bei Hamburg, Deutschland.

Der European XFEL, der 2017 das erste Licht erreichte, verfügt über einen 2.1 km langen supraleitenden Linearbeschleuniger, der Elektronen auf 17.5 GeV beschleunigen kann. Die Anlage erzeugt 27 Mal pro Sekunde Röntgenimpulse, wobei jeder Impuls weniger als 000 fs dauert. Im Jahr 100 wurden mehr als 2022 Artikel veröffentlicht, die auf in der Einrichtung durchgeführten Experimenten basieren.

Das Vereinigte Königreich war ursprünglich am European XFEL beteiligt, indem es Technologie entwickelte, Instrumente konstruierte, zum Bau beitrug und Benutzerkonsortien beitrat. Die des Vereinigten Königreichs Diamantlichtquelle in Oxfordshire beherbergt auch zwei „XFEL-Hubs“ – in den Natur- und Lebenswissenschaften –, wo britische Nutzer des European XFEL in Bezug auf Training, Probenvorbereitung und Datenverarbeitung unterstützt werden.

In 2018, Großbritannien wurde dann das 12. Land für den Beitritt zum European Das Vereinigte Königreich begann außerdem, 26 % der jährlichen Betriebskosten der Anlage zu zahlen, obwohl diese Zahl mittlerweile auf 2 % gestiegen ist und das Vereinigte Königreich an einem ähnlichen Prozentsatz der Experimente beteiligt ist.

Die Betriebskosten einer XFEL-Anlage können erheblich sein. Der European XFEL beispielsweise hat jährliche Betriebskosten von 140 Millionen Euro, was bedeutet, dass die Durchführung der 100 Experimente, die im vergangenen Jahr an der Anlage durchgeführt wurden, jeweils etwa 1.4 Millionen Euro kostete. Da der European XFEL jedoch fünfmal überbucht ist, gibt es immer noch Kapazitäten für weitere Maschinen, und im Jahr 2015 begann das Vereinigte Königreich, den Fall für einen eigenen XFEL erneut zu prüfen.

Bauen Sie Ihren eigenen

Europäisches XFEL
Großer Fußabdruck: Luftaufnahme des über 3 km langen European XFEL. (Mit freundlicher Genehmigung von European XFEL)

Aufgrund der wachsenden Nachfrage nach XFELs der Rat für Wissenschafts- und Technologieeinrichtungen (STFC) – eine der neun Forschungsförderungsagenturen im Vereinigten Königreich – führte eine strategische Überprüfung des Freie-Elektronen-Lasers durch, die 2016 abgeschlossen wurde. Die Überprüfung kam zu dem Schluss, dass das Vereinigte Königreich sicherstellen sollte, dass es bis 2020 „in der Lage sein sollte, die endgültige Entscheidung darüber zu treffen, ob ein XFEL gebaut wird“.

Das Vereinigte Königreich hat diese Frist verpasst, aber in diesem Jahr einen UK XFEL-Wissenschaftsfall veröffentlicht. Mehr als 100 Wissenschaftler aus der ganzen Welt halfen bei der Ausarbeitung des Berichts, in dem empfohlen wurde, dass Großbritannien eine Maschine baut, die in der Lage ist, Röntgenstrahlen mit einer Energie zwischen 0.1 keV und 150 keV und einer Impulsdauer von 100 Attosekunden bis 1 fs zu erzeugen, was neue ermöglicht zu untersuchende Regime.

Wie XFELs in den 2030er oder 2040er Jahren aussehen, kann sich sehr von ihrem heutigen Aussehen unterscheiden

Mike Dunne

Im Oktober 2022 wurde der britische XFEL-Vorschlag um 3.2 Mio. £ aufgestockt UK Forschung und Innovation – der Dachorganisation der neun britischen Forschungsräte – eine konzeptionelle Designüberprüfung durchzuführen. Es wird erwartet, dass die Fertigstellung etwa drei Jahre dauern wird und auch die Aktualisierung des wissenschaftlichen Sachverhalts erforderlich sein wird. Laut dem Physiker Ian Walmsley, Rektor des Imperial College London, ist die Überprüfung ein „wichtiger Schritt“ für das Projekt.

Während der Veranstaltung in der Royal Society skizzierten Wissenschaftler, was in einer neuen Einrichtung untersucht werden könnte. Dazu gehören Quantenmaterialien, dynamische Strukturbiologie und sogar die Arbeit als Physiker und XFEL-Benutzer Emma McBride von der Queen's University Belfast erklärt, um ein besseres Verständnis der Bedingungen im Inneren von Planeten zu erhalten.

David Mahnung, ein Physiker vom Accelerator Science and Technology Centre (ASTeC) am Daresbury Laboratory, stellt fest, dass ein britischer XFEL, der einen supraleitenden 8-GeV-Linearbeschleuniger betreibt, „einen großen Teil der wissenschaftlichen Basis abdecken würde“, die aus der Umfrage potenzieller Benutzer hervorging. Doch dieser Energiebedarf wird nun im Rahmen der Konzeptprüfung genauer untersucht.

Engagement für die Gemeinschaft

Eine Umfrage unter Forschungsgruppen in Großbritannien, durchgeführt als Teil des UK XFEL Science Case, zeigte, dass über 500 britische Wissenschaftler in den letzten zehn Jahren aktiv an der XFEL-Wissenschaft beteiligt waren. Aber Jon Marangos vom Imperial College London, dem wissenschaftlichen Leiter des UK XFEL, sagt, dass es in den kommenden Jahren entscheidend sein wird, das Engagement der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu erweitern, um sicherzustellen, dass die XFEL-Wissenschaft nicht zu einer Clique von Benutzern wird.

Robert Feidenhansl
Zukunftsausblick: Robert Feidenhans'l diskutiert Entwicklungen an der europäischen Einrichtung für Freie-Elektronen-Röntgenlaser in Hamburg, Deutschland (mit freundlicher Genehmigung: STFC)

Im Rahmen der konzeptionellen Entwurfsprüfung Eine Reihe von Veranstaltungen und Workshops im „Rathaus“-Stil wird nun im ganzen Land abgehalten. UKRI hofft, dass diese Treffen die Gemeinschaft zusammenbringen und Wissenschaftlern erklären können, was diese Maschinen leisten können. Bis Ende 2024 soll alle drei Monate eine Veranstaltung stattfinden.

Ein zentrales Thema beim Treffen der Royal Society war die Notwendigkeit, dass das Vereinigte Königreich so früh wie möglich über den notwendigen Regulierungsprozess nachdenken muss, da ein UK XFEL wahrscheinlich zumindest teilweise in einem Grüngürtelgebiet gebaut werden muss. Jim Clarke von ASTec betonte, dass Nachhaltigkeit auch ein wichtiger Bestandteil des Designs sein wird. Dies könnte beispielsweise die Verwendung von Supraleitern für Hochfrequenzkavitäten umfassen, die bei Temperaturen über 2 K effektiv arbeiten können.

Die Beamten der Londoner Veranstaltung wollten unbedingt anerkennen, dass die Hauptanforderung an einen UK XFEL darin besteht, dass er über Fähigkeiten verfügen sollte, die derzeit anderswo nicht möglich sind. Diese Ansicht wird vom LCLS-Direktor unterstützt Mike Dunne der den Delegierten sagte, dass Innovation bei der Gestaltung einer Anlage der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung sein wird. „Wie XFELs in den 2030er oder 2040er Jahren aussehen, kann sich stark von dem heutigen Aussehen unterscheiden“, sagt er.

Wir kratzen gerade erst an der Oberfläche dessen, was diese Maschinen leisten können

Emma McBride

Die Entscheidung, mit der Überprüfung des Konzeptentwurfs zu beginnen, bedeutet jedoch nicht, dass ein UK XFEL gebaut wird. Wie die Redner auf dem Treffen der Royal Society deutlich machten, könnte man zu dem Schluss kommen, dass die Maschine zu teuer ist und dass es eine bessere Option wäre, Entwicklungen zu unterstützen und die Beziehungen an einer anderen Einrichtung zu vertiefen.

Wenn jedoch eine in Großbritannien ansässige Option als die beste Wahl angesehen wird und die Finanzierung verfügbar ist, wäre der nächste Schritt ein technisches Design für das bevorzugte Design. Obwohl die Benutzer möglicherweise mehrere Jahrzehnte warten müssen, um Experimente an einem UK XFEL zu starten, könnte die Maschine der Wissenschaft viel bieten. „Wir kratzen gerade erst an der Oberfläche dessen, was diese Maschinen leisten können“, bemerkt McBride.

Funktionsweise eines Freie-Elektronen-Röntgenlasers

XFELs funktionieren, indem sie Elektronenbündel in einem Linearbeschleuniger auf Gigaelektronenvolt (GeV)-Energien beschleunigen. Anschließend werden die Elektronen durch „Undulatoren“ geleitet, die die Elektronen auf eine sinusförmige Bahn bringen und dabei Synchrotronstrahlung emittieren. Da die Photonen zunächst inkohärent und über einen schmalen Wellenlängenbereich konzentriert sind, wird das Licht durch einen Prozess, der als selbstverstärkte spontane Emission bekannt ist, in kohärentes Laserlicht verstärkt.

Während sich die Elektronen durch den Undulator bewegen, interagiert das von ihnen emittierte Licht mit den nachfolgenden Elektronen und diese Wechselwirkung beschleunigt oder bremst die Elektronen abhängig von ihrer Position und der Phase des Lichts. Das Endergebnis ist, dass sich die Elektronen auf ihrer Reise bündeln und somit Licht in Phase und mit einer höheren Intensität erzeugen.

Diese Methode ergibt eine Röntgen-Spitzenbrillanz an XFELs, die etwa 10 Größenordnungen höher ist als bei bestehenden Synchrotron-Lichtquellen der „dritten Generation“. Auch die Wellenlänge des Lichts lässt sich leicht ändern, indem man die Energie des Elektronenstrahls im Linearbeschleuniger oder das Magnetfeld der Undulatoren steuert, um Röntgenstrahlen mit einer Wellenlänge von nur 0.1 nm zu erzeugen.

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