Isossa-Britanniassa aloitetaan röntgenvapaiden elektronien laserin suunnittelutyö

Iso-Britannia on virallisesti käynnistänyt seuraavan sukupolven röntgenvapaaelektronisen laserin (XFEL) suunnittelutyön. Yli 150 tutkijaa tapasi tapahtumassa Kuninkaallinen yhteisö maanantaina keskustelemaan suunnitelmista Isossa-Britanniassa sijaitseva XFEL jotka, jos annetaan lupa, voitaisiin rakentaa tulevina vuosikymmeninä. Tutkijat järjestävät nyt sarjan kokouksia eri puolilla Yhdistynyttä kuningaskuntaa mitatakseen kiinnostusta laitokseen ja keskustellakseen siitä, millaista tiedettä se voi tuottaa.

Vaikka synkrotronit käyttävät röntgensäteitä tuottamaan staattisia kuvia tai tilannekuvia tutkittavasta näytteestä, XFEL:t voivat tutkia dynaamisia prosesseja, koska ne tuottavat intensiivisten, koherenttien röntgensäteiden pulsseja kymmeniä tuhansia kertoja sekunnissa (katso laatikko alla). Jokainen pulssi kestää alle 100 fs (10^-13 s), mikä tarkoittaa, että tutkijat voivat esimerkiksi luoda "elokuvia" kemiallisista sidosprosesseista tai analysoida värähtelyenergian virtausta materiaalin poikki.

XFEL:t eivät ole uusia, sillä ensimmäinen tällainen verkkoon tullut ominaisuus on Linac koherentti valonlähde (LCLS) SLAC National Accelerator Laboratoryssa Yhdysvalloissa. Rakentaminen aloitettiin vuonna 2005 ja valmistui neljä vuotta myöhemmin. Laitos on nyt mittavassa uudistuksessa – tunnetaan nimellä LCLS II – Tämä tarkoittaa röntgenpulssien määrän lisäämistä sekunnissa LCLS:n 120:sta miljoonaan LCLS II:ssa.

Muita XFEL-laitteita avattiin pian Japanissa, Saksassa, Etelä-Koreassa ja Sveitsissä, mikä tarkoittaa, että tällaisia ​​käyttäjätiloja on nyt viisi ympäri maailmaa. Vuonna 2008 Yhdistynyt kuningaskunta alkoi myös pohtia omistetun XFEL:n isännöintiä, mutta suunnitelmat eivät saavuttaneet pitoa. Yhdistynyt kuningaskunta sen sijaan päätti liittyä Eurooppalainen röntgenvapaa elektroninen laser (European XFEL) DESY-laboratoriossa lähellä Hampuria, Saksassa.

Eurooppalainen XFEL, joka saavutti ensimmäisen valon 2017, sisältää 2.1 km:n suprajohtavan lineaarikiihdytin, joka voi kiihdyttää elektronit 17.5 GeV:iin. Laitos tuottaa röntgenpulsseja 27 000 kertaa sekunnissa, ja jokainen pulssi kestää alle 100 fs. Vuonna 2022 laitoksella tehtyjen kokeiden perusteella julkaistiin yli 120 artikkelia.

Iso-Britannia oli alun perin mukana eurooppalaisessa XFEL:ssä kehittämällä teknologiaa, suunnittelemalla instrumentteja, osallistumalla rakentamiseen ja liittymällä käyttäjäkonsortioihin. Iso-Britannian Timanttinen valonlähde Oxfordshiressa isännöi myös kahta ”XFEL-keskittimet” – fysikaalisilla ja biotieteillä – jossa eurooppalaisen XFEL:n Iso-Britannian käyttäjille tarjotaan tukea koulutuksessa, näytteiden valmistelussa ja tietojenkäsittelyssä.

Vuonna 2018, Yhdistyneestä kuningaskunnasta tuli sitten 12. maa liittyä eurooppalaiseen XFEL:iin ja osallistua noin 26 miljoonalla eurolla – tai 2 prosentilla – 1.22 miljardin euron (2005 vastaavat hinnat) laitoksen rakentamiskustannuksiin. Yhdistynyt kuningaskunta alkoi myös maksaa 2 prosenttia laitoksen vuosittaisista käyttökustannuksista, vaikka tämä luku on nyt noussut 7 prosenttiin, kun Yhdistynyt kuningaskunta on osallistunut vastaavaan prosenttiosuuteen kokeista.

XFEL-laitoksen käyttökustannukset voivat olla merkittäviä. Esimerkiksi eurooppalaisen XFELin vuotuiset käyttökustannukset ovat 140 miljoonaa euroa, mikä tarkoittaa, että laitoksessa viime vuonna tehdyt 100 koetta maksoivat kukin noin 1.4 miljoonaa euroa. Mutta koska eurooppalainen XFEL-tilaus on viisinkertainen, kapasiteettia on yhä useammalle koneelle, ja vuonna 2015 Yhdistynyt kuningaskunta alkoi tutkia uudelleen omaa XFEL:ään.

Rakenna oma

XFEL-laitteiden kasvavan kysynnän seurauksena tiede- ja teknologialaitosneuvosto (STFC) – yksi Ison-Britannian yhdeksästä tutkimusrahoitustoimistosta – suoritti vapaiden elektronien laserin strategisen katsauksen, jonka se sai päätökseen vuonna 2016. Katsauksessa todettiin, että Yhdistyneen kuningaskunnan olisi varmistettava, että se pystyy tekemään lopullisen päätöksen XFEL:n rakentamisesta vuoteen 2020 mennessä.

Yhdistynyt kuningaskunta ohitti tämän määräajan, mutta julkaisi Yhdistyneen kuningaskunnan XFEL-tieteellisen tapauksen sinä vuonna. Yli 100 tutkijaa eri puolilta maailmaa auttoi laatimaan raportin, jossa suositeltiin Yhdistyneelle kuningaskunnalle koneen, joka pystyy tuottamaan röntgensäteitä, joiden energia on 0.1 keV - 150 keV ja pulssin kesto 100 attosekunnista 1 fs:iin, mikä mahdollistaa uuden tutkittavia järjestelmiä.

Se, miltä XFEL näyttää 2030- tai 2040-luvulla, voi olla hyvin erilainen kuin miltä ne näyttävät nykyään

Mike Dunne

Lokakuussa 2022 Yhdistyneen kuningaskunnan XFEL-ehdotusta vahvistettiin 3.2 miljoonalla punnalla. Yhdistyneen kuningaskunnan tutkimus ja innovaatio – Yhdistyneen kuningaskunnan yhdeksän tutkimusneuvoston kattojärjestö – toteuttamaan konseptuaalisen suunnittelun arvioinnin. Sen valmistumisen odotetaan kestävän noin kolme vuotta, ja siihen sisältyy myös tieteen tapauksen päivittäminen. Lontoon Imperial Collegen provostin, fyysikon Ian Walmsleyn mukaan tarkastelu on "tärkeä askel" projektille.

Royal Societyn tapahtuman aikana tutkijat hahmottelivat, mitä uusi laitos voisi tutkia. Tämä sisältää kvanttimateriaalit, dynaamisen rakennebiologian ja jopa fyysikkona ja XFEL-käyttäjänä Emma McBride Queen's Universitystä Belfast selitti saadakseen paremman käsityksen planeettojen sisällä olevista olosuhteista.

David Dunning, fyysikko Accelerator Science and Technology Centeristä (ASTeC) Daresbury Laboratorysta, huomauttaa, että Iso-Britannian XFEL, joka käyttää 8 GeV:n suprajohtavaa lineaarikiihdytintä, "kattaisi suuren osan tieteellisestä perustasta", joka tuli esiin potentiaalisten käyttäjien kyselyssä. Mutta tätä energian tarvetta tutkitaan nyt tarkemmin konseptisuunnittelun arvioinnin yhteydessä.

Yhteisön sitoumus

Ison-Britannian tutkimusryhmien kysely, joka suoritettiin osana Yhdistyneen kuningaskunnan XFEL-tiedetapausta, osoitti, että yli 500 brittiläistä tiedemiestä on osallistunut aktiivisesti XFEL-tieteeseen viimeisen vuosikymmenen aikana. Mutta Jon Marangos Imperial College London, joka on Yhdistyneen kuningaskunnan XFEL:n tiedejohtaja, sanoo, että tulevina vuosina on ratkaisevan tärkeää laajentaa tiedeyhteisön sitoutumista, jotta XFEL-tiede ei muutu käyttäjäklikkiksi.

Osana konseptisuunnittelua sarja "town-tal" -tyylisiä tapahtumia ja työpajoja järjestetään nyt ympäri maata. UKRI toivoo, että nämä tapaamiset tuovat yhteisön yhteen ja antavat sen selittää tutkijoille, mitä nämä koneet voivat tehdä. Yksi tapahtuma on tarkoitus järjestää kolmen kuukauden välein vuoden 2024 loppuun asti.

Kuninkaallisen seuran kokouksessa esiin noussut avainteema oli, että Yhdistyneen kuningaskunnan on pohdittava mahdollisimman varhaisessa vaiheessa tarvittavaa sääntelyprosessia, koska Yhdistyneen kuningaskunnan XFEL on todennäköisesti rakennettava ainakin osittain viheralueelle. Jim Clarke ASTeC:stä korosti, että kestävyys on myös keskeinen osa suunnittelua. Tämä voi sisältää esimerkiksi suprajohteiden käyttämisen radiotaajuisissa onteloissa, jotka voivat toimia tehokkaasti yli 2 K lämpötiloissa.

Lontoon tapahtuman virkamiehet halusivat myöntää, että Iso-Britannian XFEL:n päävaatimus on, että sillä on ominaisuuksia, joita ei tällä hetkellä ole mahdollista muualla. Tätä näkemystä tukee LCLS:n johtaja Mike Dunne joka kertoi edustajille, että innovaatio on avainasemassa suunniteltaessa seuraavan sukupolven laitosta. "XFELin ulkonäkö 2030- tai 2040-luvulla voi olla hyvin erilainen kuin nykyään", hän sanoo.

Olemme vasta alkamassa raapia pintaa siitä, mitä nämä koneet voivat tehdä

Emma McBride

Päätös aloittaa suunnittelun suunnittelun tarkastelu ei kuitenkaan tarkoita, että Iso-Britannian XFEL rakennettaisiin. Kuten Royal Societyn kokouksen puhujat tekivät selväksi, se saattaa päätellä, että kone on liian kallis ja että parempi vaihtoehto olisi tukea kehitystä ja syventää yhteyksiä toisessa laitoksessa.

Mutta jos Yhdistyneessä kuningaskunnassa toimiva vaihtoehto katsotaan parhaaksi ja rahoitusta on saatavilla, seuraava askel olisi tekninen suunnittelu suosiman suunnittelun perusteella. Vaikka käyttäjät saattavat joutua odottamaan useita vuosikymmeniä aloittaakseen kokeiluja UK XFEL:llä, kone voi tarjota paljon tieteelle. "Olemme vasta alkamassa raapia pintaa siitä, mitä nämä koneet voivat tehdä", McBride huomauttaa.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/