Το Ηνωμένο Βασίλειο ξεκινά τις εργασίες σχεδιασμού για ένα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ

Το Ηνωμένο Βασίλειο ξεκίνησε επίσημα την έναρξη των εργασιών σχεδιασμού για μια εγκατάσταση λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XFEL) επόμενης γενιάς. Πάνω από 150 ερευνητές συναντήθηκαν στο βασιλική κοινωνία τη Δευτέρα για να συζητήσουν τα σχέδια για την XFEL με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο που, εάν δοθεί το πράσινο φως, θα μπορούσε να οικοδομηθεί τις επόμενες δεκαετίες. Οι ερευνητές θα πραγματοποιήσουν τώρα μια σειρά συναντήσεων σε όλο το Ηνωμένο Βασίλειο για να μετρήσουν το ενδιαφέρον για μια εγκατάσταση και να συζητήσουν τι είδους επιστήμη μπορεί να παράγει.

Ενώ τα σύγχροτρα χρησιμοποιούν ακτίνες Χ για να παράγουν στατικές εικόνες ή στιγμιότυπα ενός δείγματος υπό διερεύνηση, τα XFEL μπορούν να μελετήσουν δυναμικές διεργασίες επειδή παράγουν παλμούς έντονων, συνεκτικών ακτίνων Χ δεκάδες χιλιάδες φορές ανά δευτερόλεπτο (βλ. πλαίσιο παρακάτω). Κάθε παλμός διαρκεί λιγότερο από 100 fs (10^-13 s), πράγμα που σημαίνει ότι οι ερευνητές μπορούν, για παράδειγμα, να δημιουργήσουν «ταινίες» με διαδικασίες χημικής σύνδεσης ή να αναλύσουν τον τρόπο με τον οποίο η δονητική ενέργεια ρέει σε ένα υλικό.

Τα XFEL δεν είναι καινούργια, με την πρώτη τέτοια εγκατάσταση που έρχεται στο διαδίκτυο να είναι η Συνεκτική πηγή φωτός Linac (LCLS) στο SLAC National Accelerator Laboratory στις Η.Π.Α. Η κατασκευή ξεκίνησε το 2005 και ολοκληρώθηκε τέσσερα χρόνια αργότερα. Η εγκατάσταση υφίσταται τώρα μια σημαντική αναβάθμιση - γνωστή ως LCLS II – αυτό θα περιλαμβάνει την αύξηση του αριθμού των παλμών ακτίνων Χ ανά δευτερόλεπτο από 120 σε LCLS σε ένα εκατομμύριο στο LCLS II.

Άλλα XFEL άνοιξαν σύντομα στην Ιαπωνία, τη Γερμανία, τη Νότια Κορέα και την Ελβετία, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχουν τώρα πέντε τέτοιες εγκαταστάσεις χρηστών σε όλο τον κόσμο. Το 2008, το Ηνωμένο Βασίλειο άρχισε επίσης να εξετάζει τη φιλοξενία ενός αποκλειστικού XFEL, αλλά τα σχέδια απέτυχαν να κερδίσουν έλξη. Αντίθετα, το ΗΒ επέλεξε να συμμετάσχει Ευρωπαϊκό λέιζερ ηλεκτρονίων χωρίς ακτίνες Χ (Ευρωπαϊκό XFEL) στο εργαστήριο DESY κοντά στο Αμβούργο της Γερμανίας.

Το ευρωπαϊκό XFEL, το οποίο πέτυχε το πρώτο φως το 2017, διαθέτει έναν υπεραγώγιμο γραμμικό επιταχυντή μήκους 2.1 km που μπορεί να επιταχύνει τα ηλεκτρόνια στα 17.5 GeV. Η εγκατάσταση παράγει παλμούς ακτίνων Χ 27 φορές ανά δευτερόλεπτο, με κάθε παλμό να διαρκεί λιγότερο από 000 fs. Το 100, δημοσιεύθηκαν περισσότερα από 2022 άρθρα με βάση πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στις εγκαταστάσεις.

Το Ηνωμένο Βασίλειο συμμετείχε αρχικά με το ευρωπαϊκό XFEL αναπτύσσοντας τεχνολογία, σχεδιάζοντας όργανα, συνεισφέροντας στην κατασκευή και συμμετέχοντας σε κοινοπραξίες χρηστών. του ΗΒ Διαμαντένια πηγή φωτός στο Oxfordshire φιλοξενεί επίσης δύο "Κόμβοι XFEL” – στις φυσικές και βιοεπιστήμες – όπου οι χρήστες του ευρωπαϊκού XFEL στο Ηνωμένο Βασίλειο λαμβάνουν υποστήριξη όσον αφορά την εκπαίδευση, την προετοιμασία δειγμάτων και την επεξεργασία δεδομένων.

Σε 2018, το Ηνωμένο Βασίλειο έγινε τότε η 12η χώρα να ενταχθεί στο ευρωπαϊκό XFEL, συνεισφέροντας περίπου 26 εκατ. ευρώ – ή 2% – στο κόστος κατασκευής της διευκόλυνσης 1.22 δισ. ευρώ (ισοδύναμες τιμές 2005). Το ΗΒ άρχισε επίσης να πληρώνει το 2% του ετήσιου λειτουργικού κόστους της εγκατάστασης, αν και το ποσοστό αυτό έχει πλέον αυξηθεί στο 7% με το Ηνωμένο Βασίλειο να συμμετέχει σε παρόμοιο ποσοστό πειραμάτων.

Το λειτουργικό κόστος μιας εγκατάστασης XFEL μπορεί να είναι σημαντικό. Το ευρωπαϊκό XFEL, για παράδειγμα, έχει ετήσιο λειτουργικό κόστος 140 εκατομμυρίων ευρώ, πράγμα που σημαίνει ότι τα 100 πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στην εγκατάσταση πέρυσι κόστισαν το καθένα περίπου 1.4 εκατομμύρια ευρώ. Αλλά με το ευρωπαϊκό XFEL να έχει υπερκαλυφθεί πέντε φορές, υπάρχει ακόμα χωρητικότητα για περισσότερα μηχανήματα και το 2015 το ΗΒ άρχισε να επανεξετάζει την υπόθεση για το δικό του XFEL.

Φτιάξε το δικό σου

Ως αποτέλεσμα της αυξανόμενης ζήτησης για XFEL, το Συμβούλιο Εγκαταστάσεων Επιστήμης και Τεχνολογίας (STFC) – ένας από τους εννέα οργανισμούς χρηματοδότησης έρευνας στο Ηνωμένο Βασίλειο – διεξήγαγε στρατηγική επισκόπηση λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων, την οποία ολοκλήρωσε το 2016. Η επανεξέταση κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το ΗΒ θα πρέπει να διασφαλίσει ότι είναι «σε θέση να λάβει την τελική απόφαση για το αν θα κατασκευάσει ένα XFEL» έως το 2020.

Το Ηνωμένο Βασίλειο έχασε αυτήν την προθεσμία, αλλά δημοσίευσε μια επιστημονική υπόθεση του UK XFEL εκείνο το έτος. Περισσότεροι από 100 επιστήμονες από όλο τον κόσμο βοήθησαν στη σύνταξη της έκθεσης, η οποία συνέστησε στο Ηνωμένο Βασίλειο να κατασκευάσει μια μηχανή ικανή να παράγει ακτίνες Χ με ενέργεια μεταξύ 0.1 keV και 150 keV και διάρκεια παλμού 100 attoseconds έως 1 fs, επιτρέποντας νέες καθεστώτα που πρέπει να διερευνηθούν.

Το πώς φαίνονται τα XFEL στη δεκαετία του 2030 ή του 2040 μπορεί να είναι πολύ διαφορετικό από αυτό που μοιάζουν σήμερα

Mike Dunne

Τον Οκτώβριο του 2022, η πρόταση XFEL του ΗΒ ενισχύθηκε κατά 3.2 εκατομμύρια £ από Έρευνα και Καινοτομία στο Ηνωμένο Βασίλειο – ο οργανισμός-ομπρέλα για τα εννέα ερευνητικά συμβούλια του Ηνωμένου Βασιλείου – για τη διεξαγωγή μιας αναθεώρησης εννοιολογικού σχεδιασμού. Αναμένεται να χρειαστούν περίπου τρία χρόνια για να ολοκληρωθεί και θα περιλαμβάνει επίσης την ενημέρωση της επιστημονικής υπόθεσης. Σύμφωνα με τον φυσικό Ian Walmsley, καθηγητή του Imperial College του Λονδίνου, η ανασκόπηση είναι ένα «σημαντικό βήμα» για το έργο.

Κατά τη διάρκεια της εκδήλωσης στη Βασιλική Εταιρεία, οι επιστήμονες περιέγραψαν τι θα μπορούσε να ερευνήσει μια νέα εγκατάσταση. Αυτό περιλαμβάνει κβαντικά υλικά, δυναμική δομική βιολογία και ακόμη, ως φυσικός και χρήστης XFEL Έμμα ΜακΜπράιντ από το Queen's University Belfast εξήγησε, κατανοώντας καλύτερα τις συνθήκες μέσα στους πλανήτες.

Ντέιβιντ Ντάνινγκ, ένας φυσικός από το Accelerator Science and Technology Center (ASTeC) στο Daresbury Laboratory, σημειώνει ότι ένα UK XFEL που λειτουργεί έναν υπεραγώγιμο γραμμικό επιταχυντή 8 GeV «θα κάλυπτε μεγάλο μέρος της επιστημονικής βάσης» που προέκυψε από την έρευνα των πιθανών χρηστών. Αλλά αυτή η ενεργειακή απαίτηση θα διερευνηθεί τώρα με μεγαλύτερη λεπτομέρεια κατά την αναθεώρηση του εννοιολογικού σχεδιασμού.

Συμμετοχή της Κοινότητας

Έρευνα ερευνητικών ομάδων στο Ηνωμένο Βασίλειο, που διεξήχθη ως μέρος της επιστημονικής υπόθεσης του UK XFEL, έδειξε ότι περισσότεροι από 500 επιστήμονες του Ηνωμένου Βασιλείου είχαν ενεργή συμμετοχή στην επιστήμη του XFEL την τελευταία δεκαετία. Αλλά Τζον Μαραγκός από το Imperial College του Λονδίνου, που είναι επικεφαλής της επιστήμης του UK XFEL, λέει ότι θα είναι ζωτικής σημασίας τα επόμενα χρόνια να διευρυνθεί η δέσμευση της επιστημονικής κοινότητας για να διασφαλιστεί ότι η επιστήμη του XFEL δεν θα μετατραπεί σε κλίκα χρηστών.

Ως μέρος της ανασκόπησης του εννοιολογικού σχεδιασμού, Μια σειρά εκδηλώσεων και εργαστηρίων τύπου «δημαρχείου» θα πραγματοποιηθούν τώρα σε όλη τη χώρα. Το UKRI ελπίζει ότι αυτές οι συναντήσεις θα φέρουν κοντά την κοινότητα και θα την αφήσουν να εξηγήσει στους επιστήμονες τι μπορούν να κάνουν αυτά τα μηχανήματα. Μία εκδήλωση αναμένεται να πραγματοποιείται κάθε τρεις μήνες μέχρι το τέλος του 2024.

Ένα βασικό θέμα που προέκυψε στη συνάντηση της Βασιλικής Εταιρείας ήταν η ανάγκη για το ΗΒ να σκεφτεί όσο το δυνατόν νωρίτερα την απαραίτητη ρυθμιστική διαδικασία, δεδομένου ότι ένα UK XFEL πιθανότατα θα πρέπει να κατασκευαστεί, τουλάχιστον εν μέρει, σε μια περιοχή πράσινης ζώνης. Jim Clarke από το ASteC τόνισε ότι η βιωσιμότητα θα είναι επίσης βασικό μέρος του σχεδιασμού. Αυτό θα μπορούσε να περιλαμβάνει, για παράδειγμα, τη χρήση υπεραγωγών για κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων που μπορούν να λειτουργήσουν αποτελεσματικά σε θερμοκρασίες πάνω από 2 Κ.

Οι αξιωματούχοι στην εκδήλωση του Λονδίνου ήθελαν να αναγνωρίσουν ότι η κύρια απαίτηση για ένα UK XFEL είναι ότι θα πρέπει να έχει δυνατότητες που δεν είναι δυνατές αυτή τη στιγμή αλλού. Αυτή η άποψη υποστηρίζεται από τον διευθυντή του LCLS Mike Dunne ο οποίος είπε στους αντιπροσώπους ότι η καινοτομία θα είναι το κλειδί κατά το σχεδιασμό μιας εγκατάστασης επόμενης γενιάς. «Το πώς φαίνονται τα XFEL στη δεκαετία του 2030 ή του 2040 μπορεί να είναι πολύ διαφορετικό από αυτό που μοιάζουν σήμερα», λέει.

Μόλις αρχίζουμε να ξύνουμε την επιφάνεια του τι μπορούν να κάνουν αυτά τα μηχανήματα

Έμμα ΜακΜπράιντ

Ωστόσο, η απόφαση να ξεκινήσετε τις εργασίες για μια αναθεώρηση εννοιολογικού σχεδιασμού δεν σημαίνει ότι θα κατασκευαστεί ένα UK XFEL. Όπως κατέστησαν σαφές οι ομιλητές στη συνάντηση της Βασιλικής Εταιρείας, μπορεί να καταλήξει στο συμπέρασμα ότι το μηχάνημα είναι πολύ ακριβό και ότι μια καλύτερη επιλογή θα ήταν η υποστήριξη των εξελίξεων και η εμβάθυνση των δεσμών σε άλλη εγκατάσταση.

Αλλά εάν μια επιλογή με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο θεωρείται το καλύτερο στοίχημα και υπάρχει διαθέσιμη χρηματοδότηση, το επόμενο βήμα θα ήταν ένας μηχανικός σχεδιασμός για το προτιμώμενο σχέδιο. Αν και οι χρήστες μπορεί να χρειαστεί να περιμένουν αρκετές δεκαετίες για να ξεκινήσουν πειράματα σε ένα UK XFEL, το μηχάνημα θα μπορούσε να προσφέρει πολλά στην επιστήμη. «Μόλις αρχίζουμε να ξύνουμε την επιφάνεια του τι μπορούν να κάνουν αυτά τα μηχανήματα», σημειώνει ο McBride.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/