Az Egyesült Királyságban megkezdődik a röntgen-szabadelektron-lézer tervezési munkája

Az Egyesült Királyságban hivatalosan is megkezdődött a következő generációs röntgen-szabadelektron-lézer (XFEL) létesítmény tervezési munkálatai. Több mint 150 kutató találkozott Royal Society hétfőn, hogy megvitassák a terveket Az Egyesült Királyságban működő XFEL amely ha megadatik az engedélyt, a következő évtizedekben megépülhet. A kutatók most egy sor találkozót tartanak az Egyesült Királyságban, hogy felmérjék az érdeklődést egy létesítmény iránt, és megvitassák, milyen tudományt produkálhat.

Míg a szinkrotronok röntgensugarak segítségével statikus képeket vagy pillanatfelvételeket készítenek a vizsgált mintáról, az XFEL-ek dinamikus folyamatokat is tanulmányozhatnak, mivel intenzív, koherens röntgensugarak impulzusait generálják másodpercenként több tízezer alkalommal (lásd lentebb). Minden impulzus kevesebb, mint 100 fs (10^-13 s), ami azt jelenti, hogy a kutatók például „filmeket” készíthetnek a kémiai kötési folyamatokról, vagy elemezhetik, hogyan áramlik a rezgési energia egy anyagon.

Az XFEL-ek nem újdonságok, az első ilyen lehetőség, amely az internetre került, a Linac koherens fényforrás (LCLS) az egyesült államokbeli SLAC National Accelerator Laboratory-ban. Az építkezés 2005-ben kezdődött és négy évvel később fejeződött be. A létesítmény jelenleg jelentős korszerűsítésen esik át – az ún LCLS II – ez magában foglalja a röntgenimpulzusok másodpercenkénti számának növelését az LCLS-ben mért 120-ról egymillióra az LCLS II-ben.

Hamarosan más XFEL-ek is megnyíltak Japánban, Németországban, Dél-Koreában és Svájcban, ami azt jelenti, hogy már öt ilyen felhasználói létesítmény működik szerte a világon. 2008-ban az Egyesült Királyság is elkezdett foglalkozni egy dedikált XFEL otthont adásával, de a tervek nem nyertek sikert. Az Egyesült Királyság ehelyett úgy döntött, hogy csatlakozik a Európai röntgenmentes elektronlézer (Európai XFEL) a németországi Hamburg melletti DESY laborban.

Az európai XFEL, amely 2017-ben jelent meg először, egy 2.1 km-es szupravezető lineáris gyorsítóval rendelkezik, amely 17.5 GeV-ra képes felgyorsítani az elektronokat. A létesítmény másodpercenként 27 000-szer bocsát ki röntgenimpulzusokat, és mindegyik impulzus 100 fs-nál rövidebb ideig tart. 2022-ben több mint 120 cikk jelent meg a létesítményben végzett kísérletek alapján.

Az Egyesült Királyság kezdetben technológiafejlesztéssel, műszerek tervezésével, az építkezéshez való hozzájárulással és felhasználói konzorciumokhoz való csatlakozással kapcsolódott be az európai XFEL-hez. Az Egyesült Királyságé Gyémánt fényforrás Oxfordshire-ben két "XFEL hubok” – a fizikai és élettudományok területén – ahol az európai XFEL egyesült királyságbeli felhasználói támogatást kapnak a képzés, a minta-előkészítés és az adatfeldolgozás terén.

A 2018, az Egyesült Királyság ekkor lett a 12. ország csatlakozni az európai XFEL-hez, mintegy 26 millió euróval – vagyis 2%-kal – hozzájárulva az 1.22 milliárd eurós (2005-ös árakkal egyenértékű) létesítmény megépítésének költségeihez. Az Egyesült Királyság is elkezdte kifizetni a létesítmény éves működési költségeinek 2%-át, bár ez az arány mára 7%-ra emelkedett, mivel az Egyesült Királyság hasonló százalékban vesz részt a kísérletekben.

Egy XFEL létesítmény üzemeltetési költségei jelentősek lehetnek. Az európai XFEL éves működési költsége például 140 millió euró, ami azt jelenti, hogy a létesítményben tavaly elvégzett 100 kísérlet egyenként körülbelül 1.4 millió euróba került. Az európai XFEL ötszörös túljelentkezése miatt azonban még mindig van kapacitás több gép számára, és 2015-ben az Egyesült Királyság újra megvizsgálta az esetet saját XFEL-ére vonatkozóan.

Építsd meg a sajátodat

Az XFEL-ek iránti növekvő kereslet eredményeként a Tudományos és Technológiai Létesítmények Tanácsa (STFC) – az Egyesült Királyság kilenc kutatásfinanszírozási ügynökségének egyike – szabadelektron-lézeres stratégiai felülvizsgálatot végzettA felülvizsgálat arra a következtetésre jutott, hogy az Egyesült Királyságnak gondoskodnia kell arról, hogy „2016-ig meg tudja hozni a végső döntést az XFEL megépítéséről”.

Az Egyesült Királyság elmulasztotta ezt a határidőt, de abban az évben közzétett egy brit XFEL tudományos esetet. A világ minden tájáról több mint 100 tudós segített megszövegezni a jelentést, amely azt javasolta az Egyesült Királyságnak, hogy készítsen olyan gépet, amely képes röntgensugárzás előállítására 0.1 keV és 150 keV közötti energiával és 100 attoszekundum és 1 fs közötti impulzusidővel, lehetővé téve az új feltárandó rezsimek.

Az, hogy az XFEL-ek hogyan néznek ki a 2030-as vagy 2040-es években, nagyon eltérhet attól, ahogy ma néznek ki

Mike Dunne

2022 októberében az Egyesült Királyság XFEL-javaslata 3.2 millió fonttal megemelkedett Egyesült Királyság kutatás és innováció – az Egyesült Királyság kilenc kutatási tanácsának ernyőszervezete – a terv elvi felülvizsgálatának elvégzésére. Várhatóan körülbelül három évet vesz igénybe, és a tudományos eset frissítését is magában foglalja. Ian Walmsley fizikus, a londoni Imperial College prépostja szerint a felülvizsgálat „fontos lépés” a projekt számára.

A Királyi Társaságban tartott rendezvényen a tudósok felvázolták, hogy egy új létesítmény mit vizsgálhat. Ez magában foglalja a kvantumanyagokat, a dinamikus szerkezeti biológiát, sőt fizikusként és XFEL-felhasználóként Emma McBride a Belfast Queen's University munkatársa magyarázta, hogy jobban megértse a bolygókon belüli körülményeket.

David Dunning, a Daresbury Laboratory Accelerator Science and Technology Center (ASTeC) fizikusa megjegyzi, hogy egy 8 GeV-os szupravezető lineáris gyorsítót működtető brit XFEL „nagy részét lefedné a potenciális felhasználók felméréséből származó tudományos alapból”. De ezt az energiaigényt most részletesebben megvizsgálják a koncepcióterv felülvizsgálata során.

Közösségi elkötelezettség

Kutatócsoportok felmérése az Egyesült KirályságbanAz Egyesült Királyság XFEL tudományos esetének részeként lefolytatott kutatás azt jelezte, hogy az elmúlt évtizedben több mint 500 brit tudós vett részt aktívan az XFEL-tudományban. De Jon Marangos A brit XFEL tudományos vezetője, az Imperial College London munkatársa szerint az elkövetkező években kulcsfontosságú lesz a tudományos közösség bevonásának kiterjesztése annak biztosítására, hogy az XFEL tudománya ne váljon felhasználók klikkjévé.

A koncepcióterv felülvizsgálatának részeként „városházi” stílusú rendezvények és workshopok sorozatát tartják ezentúl országszerte. Az UKRI reméli, hogy ezek a találkozók összehozzák a közösséget, és elmagyarázzák a tudósoknak, mire képesek ezek a gépek. Várhatóan háromhavonta egy eseményre kerül sor 2024 végéig.

A Royal Society ülésén felmerülő kulcsfontosságú téma az volt, hogy az Egyesült Királyságnak a lehető legkorábban gondolkodnia kell a szükséges szabályozási folyamaton, mivel az Egyesült Királyság XFEL-ét valószínűleg legalább részben zöldövezeti területen kell megépíteni. Jim Clarke az ASTeC-től hangsúlyozta, hogy a fenntarthatóság is kulcsfontosságú része lesz a tervezésnek. Ez magában foglalhatja például szupravezetők használatát olyan rádiófrekvenciás üregekben, amelyek hatékonyan működnek 2 K feletti hőmérsékleten.

A londoni esemény tisztviselői szívesen elismerték, hogy az Egyesült Királyság XFEL-lel szembeni fő követelménye az, hogy olyan képességekkel rendelkezzen, amelyekre jelenleg máshol nincs lehetőség. Ezt a nézetet az LCLS igazgatója is alátámasztja Mike Dunne aki azt mondta a küldötteknek, hogy az innováció kulcsfontosságú lesz a következő generációs létesítmény tervezésekor. „Az XFEL-ek megjelenése a 2030-as vagy 2040-es években nagyon eltérhet attól, ahogyan ma néznek ki” – mondja.

Még csak most kezdjük megvakarni, mire képesek ezek a gépek

Emma McBride

Az elvi terv felülvizsgálatának megkezdéséről szóló döntés azonban nem jelenti azt, hogy megépül az Egyesült Királyság XFEL. Amint azt a Royal Society ülésén felszólalók egyértelművé tették, arra a következtetésre juthat, hogy a gép túl drága, és jobb megoldás lenne egy másik létesítmény fejlesztéseinek támogatása és kapcsolatok elmélyítése.

De ha az Egyesült Királyságban található megoldást tekintik a legjobb megoldásnak, és van rendelkezésre álló finanszírozás, akkor a következő lépés egy mérnöki tervezés a preferált tervezésen. Bár előfordulhat, hogy a felhasználóknak több évtizedet kell várniuk a brit XFEL kísérletek megkezdésére, a gép sokat kínálhat a tudomány számára. „Még csak most kezdjük megkarcolni a felszínt, mire képesek ezek a gépek” – jegyzi meg McBride.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/