El Reino Unido inicia el trabajo de diseño de un láser de electrones libres de rayos X

El Reino Unido ha lanzado oficialmente el inicio del trabajo de diseño para una instalación de láser de electrones libres de rayos X (XFEL) de próxima generación. Más de 150 investigadores se dieron cita en el Real Sociedad el lunes para discutir los planes para la XFEL con sede en el Reino Unido que, de recibir el visto bueno, podría construirse en las próximas décadas. Los investigadores ahora llevarán a cabo una serie de reuniones en todo el Reino Unido para medir el interés en una instalación y discutir qué tipo de ciencia puede producir.

Mientras que los sincrotrones usan rayos X para producir imágenes estáticas, o instantáneas, de una muestra bajo investigación, los XFEL pueden estudiar procesos dinámicos porque generan pulsos de haces de rayos X intensos y coherentes decenas de miles de veces por segundo (ver cuadro a continuación). Cada pulso dura menos de 100 fs (10^-13 s), lo que significa que los investigadores pueden, por ejemplo, crear “películas” de procesos de enlace químico o analizar la forma en que la energía vibratoria fluye a través de un material.

Los XFEL no son nuevos, ya que la primera instalación de este tipo que se puso en línea fue el Fuente de luz coherente Linac (LCLS) en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en los EE. UU. La construcción comenzó en 2005 y se completó cuatro años después. La instalación ahora está experimentando una actualización importante, conocida como CLLS II – eso implicará aumentar la cantidad de pulsos de rayos X por segundo de 120 en LCLS a un millón en LCLS II.

Pronto se abrieron otros XFEL en Japón, Alemania, Corea del Sur y Suiza, lo que significa que ahora hay cinco instalaciones de este tipo para usuarios en todo el mundo. En 2008, el Reino Unido también comenzó a considerar la posibilidad de albergar un XFEL dedicado, pero los planes no lograron ganar terreno. En cambio, el Reino Unido optó por unirse al Láser de electrones libres de rayos X europeo (XFEL europeo) en el laboratorio DESY cerca de Hamburgo, Alemania.

El XFEL europeo, que alcanzó su primera luz en 2017, cuenta con un acelerador lineal superconductor de 2.1 km que puede acelerar electrones hasta 17.5 GeV. La instalación produce pulsos de rayos X 27 veces por segundo, y cada pulso dura menos de 000 fs. En 100 se publicaron más de 2022 artículos basados ​​en experimentos realizados en la instalación.

El Reino Unido participó inicialmente en el XFEL europeo desarrollando tecnología, diseñando instrumentos, contribuyendo a la construcción y uniéndose a consorcios de usuarios. el Reino Unido Fuente de luz de diamante en Oxfordshire también alberga dos “Bujes XFEL” – en las ciencias físicas y de la vida – donde los usuarios del Reino Unido del XFEL europeo reciben apoyo en términos de capacitación, preparación de muestras y procesamiento de datos.

En 2018, el Reino Unido se convirtió entonces en el 12º país unirse al XFEL europeo, contribuyendo con unos 26 millones de euros (o el 2%) al coste de construcción de la instalación de 1.22 millones de euros (precios equivalentes de 2005). El Reino Unido también comenzó a pagar el 2% de los costos operativos anuales de la instalación, aunque esa cifra ahora ha aumentado al 7%, ya que el Reino Unido participa en un porcentaje similar de experimentos.

Los costos operativos de una instalación XFEL pueden ser significativos. El XFEL europeo, por ejemplo, tiene un coste anual de funcionamiento de 140 millones de euros, lo que significa que los 100 experimentos realizados en la instalación el año pasado costaron alrededor de 1.4 millones de euros cada uno. Pero dado que el XFEL europeo tiene cinco veces más solicitudes, todavía hay capacidad para más máquinas y en 2015 el Reino Unido comenzó a reexaminar el caso de su propio XFEL.

Construye tu propia

Como resultado de la creciente demanda de XFEL, el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (STFC) – una de las nueve agencias de financiación de la investigación en el Reino Unido – llevó a cabo una revisión estratégica de láser de electrones libres, que completó en 2016. La revisión concluyó que el Reino Unido debe asegurarse de estar en "una posición para tomar la decisión final sobre si construir un XFEL" para 2020.

El Reino Unido no cumplió con ese plazo, pero ese año publicó un caso científico XFEL del Reino Unido. Más de 100 científicos de todo el mundo ayudaron a redactar el informe, que recomendó al Reino Unido construir una máquina capaz de producir rayos X con una energía entre 0.1 keV y 150 keV y una duración de pulso de 100 attosegundos a 1 fs, lo que permite nuevos regímenes a explorar.

El aspecto de los XFEL en la década de 2030 o 2040 puede ser muy diferente al de hoy

mike dunne

En octubre de 2022, la propuesta XFEL del Reino Unido recibió un impulso de £ 3.2 millones de Investigación e innovación en el Reino Unido (la organización que agrupa a los nueve consejos de investigación del Reino Unido) para llevar a cabo una revisión del diseño conceptual. Se espera que su finalización lleve unos tres años y también implicará la actualización del caso científico. Según el físico Ian Walmsley, rector del Imperial College de Londres, la revisión es un “paso importante” para el proyecto.

Durante el evento en la Royal Society, los científicos describieron lo que una nueva instalación podría investigar. Esto incluye materiales cuánticos, biología estructural dinámica e incluso, como físico y usuario de XFEL. emma mcbride de la Queen's University Belfast, obteniendo una mejor comprensión de las condiciones dentro de los planetas.

david dunning, físico del Centro de Ciencia y Tecnología de Aceleradores (ASTeC) del Laboratorio Daresbury, señala que un XFEL del Reino Unido que operara un acelerador lineal superconductor de 8 GeV “cubría gran parte de la base científica” que surgió de la encuesta de usuarios potenciales. Pero ese requerimiento energético ahora será investigado con mayor detalle durante la revisión del diseño conceptual.

Participación de la comunidad

Una encuesta de grupos de investigación en el Reino Unido, realizado como parte del caso científico XFEL del Reino Unido, indicó que más de 500 científicos del Reino Unido han tenido una participación activa en la ciencia XFEL en la última década. Pero jon marangos del Imperial College London, quien es el líder científico de UK XFEL, dice que será crucial en los próximos años ampliar el compromiso de la comunidad científica para asegurarse de que la ciencia XFEL no se convierta en una camarilla de usuarios.

Como parte de la revisión del diseño conceptual, ahora se llevará a cabo una serie de eventos y talleres de estilo "ayuntamiento" en todo el país. UKRI espera que estas reuniones reúnan a la comunidad y le permitan explicar a los científicos lo que pueden hacer estas máquinas. Se espera que se celebre un evento cada tres meses hasta finales de 2024.

Un tema clave que surgió en la reunión de la Royal Society fue la necesidad de que el Reino Unido piense lo antes posible sobre el proceso regulatorio necesario, dado que probablemente tendrá que construirse un XFEL del Reino Unido, al menos en parte, en un área de cinturón verde. Jim Clarke de ASTeC destacó que la sostenibilidad también será una parte clave del diseño. Esto podría incluir, por ejemplo, el uso de superconductores para cavidades de radiofrecuencia que puedan operar de manera efectiva a temperaturas superiores a 2 K.

Los funcionarios presentes en el evento de Londres quisieron reconocer que el principal requisito para un XFEL del Reino Unido es que tenga capacidades que actualmente no son posibles en otros lugares. Esa opinión está respaldada por el director de LCLS. mike dunne quien dijo a los delegados que la innovación será clave a la hora de diseñar una instalación de próxima generación. "El aspecto de los XFEL en las décadas de 2030 o 2040 puede ser muy diferente de cómo se ven hoy", afirma.

Solo estamos comenzando a arañar la superficie de lo que estas máquinas pueden hacer

emma mcbride

Sin embargo, la decisión de comenzar a trabajar en una revisión del diseño conceptual no significa que se construirá un XFEL en el Reino Unido. Como dejaron claro los oradores en la reunión de la Royal Society, se podría concluir que la máquina es demasiado cara y que una mejor opción sería apoyar los desarrollos y profundizar los vínculos en otra instalación.

Pero si una opción basada en el Reino Unido se considera la mejor apuesta y hay fondos disponibles, el próximo paso sería un diseño de ingeniería sobre el diseño favorecido. Aunque es posible que los usuarios tengan que esperar varias décadas para comenzar los experimentos en un XFEL del Reino Unido, la máquina podría ofrecer mucho a la ciencia. “Solo estamos comenzando a arañar la superficie de lo que estas máquinas pueden hacer”, señala McBride.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/