Ühendkuningriik alustab röntgenikiirguse vabade elektronide laseri projekteerimist

Ühendkuningriik on ametlikult alustanud järgmise põlvkonna röntgenkiirguse vabaelektronlaseri (XFEL) projekteerimistööd. Kohtus üle 150 teadlase Kuninglik selts esmaspäeval, et arutada plaane Ühendkuningriigis asuv XFEL mida lubamise korral saaks lähikümnenditel ehitada. Teadlased korraldavad nüüd kogu Ühendkuningriigis mitmeid kohtumisi, et hinnata rajatise vastu huvi ja arutada, millist teadust see võib toota.

Kui sünkrotronid kasutavad uuritavast proovist staatiliste kujutiste või hetktõmmiste tegemiseks röntgenikiirgust, saavad XFEL-id uurida dünaamilisi protsesse, kuna need genereerivad kümneid tuhandeid kordi sekundis intensiivsete koherentsete röntgenkiirte impulsse (vt allpool olevat kasti). Iga impulss kestab vähem kui 100 fs (10^-13 s), mis tähendab, et teadlased saavad näiteks luua "filme" keemiliste sidemete protsessidest või analüüsida, kuidas vibratsioonienergia läbi materjali voolab.

XFEL-id ei ole uued, esimene selline võimalus võrku jõudis on Linac koherentne valgusallikas (LCLS) SLAC-i riiklikus kiirendilaboris USA-s. Ehitus algas 2005. aastal ja lõpetati neli aastat hiljem. Rajatis on nüüd läbimas põhjalikku uuendamist – tuntud kui LCLS II – see hõlmab röntgenimpulsside arvu suurendamist sekundis LCLS-i 120-lt miljonile LCLS II-s.

Teised XFEL-id avati peagi Jaapanis, Saksamaal, Lõuna-Koreas ja Šveitsis, mis tähendab, et praegu on üle maailma viis sellist kasutajakohta. 2008. aastal hakkas ka Ühendkuningriik uurima spetsiaalse XFEL-i majutamist, kuid plaanid ei saavutanud haardejõudu. Ühendkuningriik otsustas selle asemel ühineda Euroopa röntgenivaba elektronlaser (Euroopa XFEL) Saksamaal Hamburgi lähedal asuvas DESY laboris.

Euroopa XFEL, mis saavutas esimese valguse 2017. aastal, sisaldab 2.1 km ülijuhtivat lineaarkiirendit, mis suudab kiirendada elektrone 17.5 GeV-ni. Rajatis toodab röntgenimpulsse 27 000 korda sekundis, kusjuures iga impulss kestab vähem kui 100 fs. 2022. aastal avaldati rajatises tehtud katsete põhjal üle 120 artikli.

Ühendkuningriik oli algselt seotud Euroopa XFEL-iga, arendades tehnoloogiat, kavandades instrumente, panustades ehitusse ja liitudes kasutajate konsortsiumitega. Ühendkuningriigi oma Teemantvalgusallikas Oxfordshire'is on ka kaks "XFEL-i jaoturid” – füüsika- ja bioteadustes – kus Euroopa XFELi Ühendkuningriigi kasutajaid toetatakse koolituse, proovide ettevalmistamise ja andmetöötluse osas.

Aastal 2018, Ühendkuningriigist sai seejärel 12. riik ühineda Euroopa XFEL-iga, panustades umbes 26 miljonit eurot ehk 2% 1.22 miljardi euro suuruse rajatise ehitamise kulude katmisse (2005. aasta samaväärsed hinnad). Ühendkuningriik hakkas tasuma ka 2% rajatise iga-aastastest tegevuskuludest, kuigi see arv on nüüdseks tõusnud 7%-ni, kuna Ühendkuningriik on osalenud sarnases protsendis katsetes.

XFEL-i rajatise tegevuskulud võivad olla märkimisväärsed. Näiteks Euroopa XFEL-i aastane tegevuskulu on 140 miljonit eurot, mis tähendab, et eelmisel aastal rajatises tehtud 100 katset läksid igaüks maksma umbes 1.4 miljonit eurot. Kuid kuna Euroopa XFEL on viis korda üle tellitud, jätkub võimsust rohkemate masinate jaoks ja 2015. aastal hakkas Ühendkuningriik oma XFEL-i juhtumit uuesti läbi vaatama.

Ehita oma

Tänu kasvavale nõudlusele XFEL-ide järele teadus- ja tehnoloogiarajatiste nõukogu (STFC) – üks üheksast Ühendkuningriigi teadust rahastavast agentuurist – viis läbi vabade elektronide laseriga strateegilise ülevaate, mille ta lõpetas 2016. aastal. Läbivaatamise käigus jõuti järeldusele, et Ühendkuningriik peaks tagama, et tal on 2020. aastaks võimalus teha lõplik otsus XFEL-i ehitamise kohta.

Ühendkuningriik jäi sellest tähtajast mööda, kuid avaldas samal aastal Ühendkuningriigi XFEL-i teadusliku juhtumi. Rohkem kui 100 teadlast üle maailma aitasid koostada aruannet, milles soovitati Ühendkuningriigil ehitada masin, mis oleks võimeline tekitama röntgenikiirgust energiaga vahemikus 0.1 keV kuni 150 keV ja impulsi kestusega 100 attosekundit kuni 1 fs. režiimid, mida tuleb uurida.

See, kuidas XFEL-id 2030. või 2040. aastatel välja näevad, võib olla väga erinev sellest, kuidas nad praegu välja näevad

Mike Dunne

2022. aasta oktoobris suurendati Ühendkuningriigi XFEL-i ettepanekut 3.2 miljoni naela võrra Ühendkuningriigi teadusuuringud ja innovatsioon – Ühendkuningriigi üheksa teadusnõukogu katusorganisatsioon – ideekavandi läbivaatamiseks. Selle valmimiseks kulub eeldatavasti umbes kolm aastat ja see hõlmab ka teadusliku juhtumi ajakohastamist. Londoni Imperial College'i praosti füüsik Ian Walmsley sõnul on läbivaatamine projekti jaoks "oluline samm".

Kuninglikus seltsis toimunud ürituse ajal kirjeldasid teadlased, mida uus rajatis võiks uurida. See hõlmab kvantmaterjale, dünaamilist struktuuribioloogiat ja isegi füüsiku ja XFEL-i kasutajana Emma McBride Queen's University Belfast selgitas, saades paremini aru planeetide sisetingimustest.

David Dunning, Daresbury labori kiirendi teadus- ja tehnoloogiakeskuse (ASTeC) füüsik, märgib, et Ühendkuningriigi XFEL, mis kasutab 8 GeV ülijuhtivat lineaarset kiirendit, "kataks suure osa teadusbaasist", mis potentsiaalsete kasutajate küsitlusest välja tuli. Kuid seda energiavajadust uuritakse nüüd üksikasjalikumalt ideekavandi läbivaatamise käigus.

Ühenduse kaasamine

Küsitlus Ühendkuningriigi uurimisrühmade seasÜhendkuningriigi XFEL-i teaduse juhtumi raames läbi viidud analüüs näitas, et viimase kümnendi jooksul on XFEL-i teaduses aktiivselt osalenud üle 500 Ühendkuningriigi teadlase. Aga Jon Marangos Londoni Imperial College'ist, kes on Ühendkuningriigi XFELi teadusjuht, ütleb, et lähiaastatel on ülimalt oluline laiendada teadusringkondade kaasatust tagamaks, et XFELi teadus ei muutuks kasutajate klikiks.

Osana ideekavandi ülevaatest nüüd korraldatakse üle riigi rida "raekoja" stiilis üritusi ja töötubasid. UKRI loodab, et need kohtumised toovad kogukonna kokku ja võimaldavad teadlastele selgitada, mida need masinad suudavad. Üks üritus peaks toimuma iga kolme kuu tagant kuni 2024. aasta lõpuni.

Kuningliku seltsi koosolekul esile kerkinud võtmeteema oli vajadus, et Ühendkuningriik mõtleks võimalikult varakult vajaliku regulatiivse protsessi üle, arvestades, et Ühendkuningriigi XFEL tuleb tõenäoliselt vähemalt osaliselt ehitada rohealasse. Jim Clarke ettevõttest ASTeC rõhutas, et jätkusuutlikkus on ka disaini oluline osa. See võib hõlmata näiteks ülijuhtide kasutamist raadiosageduslike õõnsuste jaoks, mis võivad tõhusalt töötada temperatuuril üle 2 K.

Londoni ürituse ametnikud soovisid tunnistada, et Ühendkuningriigi XFEL-i peamine nõue on see, et sellel peaks olema võimalused, mida mujal pole praegu võimalik teha. Seda vaadet toetab LCLS-i direktor Mike Dunne kes ütles delegaatidele, et innovatsioon on järgmise põlvkonna rajatise kavandamisel võtmetähtsusega. "See, kuidas XFEL-id 2030. või 2040. aastatel välja näevad, võib väga erineda sellest, kuidas nad välja näevad praegu," ütleb ta.

Me alles hakkame kriimustama, mida need masinad suudavad

Emma McBride

Otsus alustada tööd ideekavandi läbivaatamisega ei tähenda siiski Ühendkuningriigi XFEL-i ehitamist. Nagu Royal Society koosolekul esinejad selgeks tegid, võib see järeldada, et masin on liiga kallis ja et parem valik oleks toetada arendusi ja süvendada sidemeid mõnes teises rajatises.

Kuid kui Ühendkuningriigis asuvat võimalust peetakse parimaks panusele ja rahalisi vahendeid on olemas, oleks järgmine samm eelistatud disainilahenduse projekteerimine. Kuigi kasutajad peavad Ühendkuningriigi XFEL-iga katsetuste alustamiseks ootama mitu aastakümmet, võib masin teadusele palju pakkuda. "Me alles hakkame kriimustama, mida need masinad suudavad," märgib McBride.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/