בריטניה מתחילה את עבודת העיצוב עבור לייזר רנטגן אלקטרון חופשי

בריטניה מתחילה את עבודת העיצוב עבור לייזר רנטגן אלקטרון חופשי

חותמת זמן: 1 בפברואר 2023 10:25

XFEL linact אירופאי
אור זוהר: ה-linac הראשי בלייזר האירופי האלקטרוני החופשי בהמבורג, גרמניה (באדיבות: D Nölle/DESY).

בריטניה השיקה רשמית את התחלת עבודת התכנון של מתקן לייזר חופשי-אלקטרון של הדור הבא (XFEL). למעלה מ-150 חוקרים נפגשו במקום החברה המלכותית ביום שני כדי לדון בתוכניות עבור XFEL שבסיסה בבריטניה שאם יינתן אישור לכך, יוכל להיבנות בעשורים הקרובים. חוקרים יקיימו כעת סדרה של פגישות ברחבי בריטניה כדי לאמוד עניין במתקן ולדון באיזה סוג של מדע הוא עשוי להפיק.

בעוד שסינכרוטרונים משתמשים בקרני רנטגן כדי להפיק תמונות סטטיות, או צילומי מצב, של דגימה נחקרת, XFELs יכולים לחקור תהליכים דינמיים מכיוון שהם יוצרים פולסים של קרני רנטגן אינטנסיביים וקוהרנטיים עשרות אלפי פעמים בשנייה (ראה מסגרת למטה). כל פולס נמשך פחות מ-100 fs (10-13 s), מה שאומר שחוקרים יכולים, למשל, ליצור "סרטים" של תהליכי קשר כימיים או לנתח את הדרך שבה אנרגיה רטט זורמת על פני חומר.

XFELs אינם חדשים, כאשר המתקן הראשון שכזה שיצא לרשת הוא לינאק מקור אור קוהרנטי (LCLS) במעבדת האצה הלאומית של SLAC בארה"ב. הבנייה החלה בשנת 2005 והסתיימה ארבע שנים לאחר מכן. המתקן עובר כעת שדרוג גדול - המכונה LCLS II - זה יכלול הגדלת מספר פולסי רנטגן בשנייה מ-120 ב-LCLS למיליון ב-LCLS II.

XFELs אחרים נפתחו עד מהרה ביפן, גרמניה, דרום קוריאה ושוויץ, כלומר יש כעת חמישה מתקני משתמשים כאלה ברחבי העולם. בשנת 2008, גם בריטניה החלה לבחון את אירוח XFEL ייעודי, אך התוכניות לא הצליחו להשיג אחיזה. בריטניה בחרה להצטרף ל- לייזר אלקטרוני ללא קרני רנטגן אירופאי (XFEL אירופי) במעבדת DESY ליד המבורג, גרמניה.

ה-XFEL האירופאי, שהשיג אור ראשון ב-2017, כולל מאיץ ליניארי מוליך-על באורך 2.1 ק"מ שיכול להאיץ אלקטרונים ל-17.5 GeV. המתקן מייצר פולסים של קרני רנטגן 27 פעמים בשנייה, כאשר כל פולס נמשך פחות מ-000 fs. בשנת 100 פורסמו יותר מ-2022 מאמרים המבוססים על ניסויים שבוצעו במתקן.

בריטניה הייתה מעורבת בתחילה עם XFEL האירופי על ידי פיתוח טכנולוגיה, עיצוב מכשירים, תרומה לבנייה והצטרפות לקונסורציוני משתמשים. של בריטניה מקור אור יהלום באוקספורדשייר מארח גם שניים "רכזות XFEL” – במדעי הפיזיקה ובמדעי החיים – שם ניתנת תמיכה למשתמשי ה-XFEL האירופי בבריטניה במונחים של הדרכה, הכנת דוגמאות ועיבוד נתונים.

ב2018, בריטניה הפכה אז למדינה ה-12 להצטרף ל-XFEL האירופית, לתרום כ-26 מיליון יורו - או 2% - לעלות בניית המתקן של 1.22 מיליארד יורו (מחירים מקבילים ב-2005). בריטניה החלה לשלם גם 2% מעלות התפעול השנתיות של המתקן, אם כי נתון זה עלה כעת ל-7% כאשר בריטניה מעורבת באחוז דומה של ניסויים.

העלויות התפעוליות של מתקן XFEL יכולות להיות משמעותיות. ל-XFEL האירופאי, למשל, יש עלות שוטפת שנתית של 140 מיליון אירו, כלומר 100 הניסויים שבוצעו במתקן בשנה שעברה עלו כל אחד כ-1.4 מיליון אירו לביצוע. אבל עם ה-XFEL האירופי שנרשם חמש פעמים, יש עדיין קיבולת לעוד מכונות ובשנת 2015 החלה בריטניה לבחון מחדש את המקרה לגבי XFEL משלה.

בנה אחד משלך

XFEL אירופי
טביעת רגל גדולה: מבט אווירי של ה-XFEL האירופאי, שאורכו למעלה מ-3 ק"מ. (באדיבות: European XFEL)

כתוצאה מהביקוש הגובר למכשירי XFEL, המועצה למתקנים למדע וטכנולוגיה (STFC) - אחת מתשע סוכנויות מימון המחקר בבריטניה - ערך סקירה אסטרטגית של לייזר אלקטרון חופשי, אותה השלימה ב-2016. הסקירה הגיעה למסקנה שבריטניה צריכה להבטיח שהיא "בעמדה לקבל את ההחלטה הסופית אם לבנות XFEL" עד 2020.

בריטניה החמיצה את המועד הזה אבל כן פרסמה מקרה מדעי XFEL בבריטניה באותה שנה. יותר מ-100 מדענים מרחבי העולם עזרו לנסח את הדו"ח, שהמליץ ​​לבריטניה לבנות מכונה המסוגלת לייצר קרני רנטגן עם אנרגיה בין 0.1 keV ל- 150 keV ומשך דופק של 100 אטושניות עד 1 fs, המאפשרת לחקור משטרים חדשים.

איך נראים XFEL בשנות ה-2030 או ה-2040 עשוי להיות שונה מאוד ממה שהם נראים היום

מייק דאן

באוקטובר 2022, הצעת ה-XFEL הבריטית הוגברה ב-3.2 מיליון ליש"ט מחקר וחדשנות בבריטניה – ארגון הגג של תשע מועצות המחקר של בריטניה – לביצוע סקירת עיצוב רעיונית. ההשלמה צפויה להימשך כשלוש שנים ויכלול גם עדכון מקרה המדע. לפי הפיזיקאי איאן וולמסלי, פרובסט מאימפריאל קולג' בלונדון, הסקירה היא "צעד חשוב" עבור הפרויקט.

במהלך האירוע בחברה המלכותית, מדענים תיארו מה מתקן חדש עשוי לחקור. זה כולל חומרים קוונטיים, ביולוגיה מבנית דינמית ואפילו, כפיזיקאי וכמשתמש XFEL אמה מקברייד מאוניברסיטת קווינס בבלפסט הסביר, מקבל הבנה טובה יותר של התנאים בתוך כוכבי לכת.

דיוויד דאנינג, פיזיקאי ממרכז ה-Accelerator Science and Technology (ASTeC) במעבדת דארסברי, מציין ש-XFEL בבריטניה המפעיל מאיץ ליניארי בעל מוליכים-על של 8 GeV "יכסה הרבה מהבסיס המדעי" שיצא מהסקר של משתמשים פוטנציאליים. אבל דרישת האנרגיה הזו תיבדק כעת בפירוט רב יותר במהלך סקירת העיצוב הרעיוני.

מעורבות קהילתית

סקר של קבוצות מחקר בבריטניה, שנערך כחלק מהמקרה המדעי XFEL בבריטניה, הצביע על כך שלמעלה מ-500 מדענים בבריטניה היו מעורבות פעילה במדע XFEL בעשור האחרון. אבל ג'ון מרנגוס מאימפריאל קולג' בלונדון, שהוא מוביל המדע של XFEL בבריטניה, אומר שזה יהיה חיוני בשנים הקרובות להרחיב את המעורבות של הקהילה המדעית כדי לוודא שמדע XFEL לא יהפוך לקליק של משתמשים.

רוברט פיידנהנס'ל
תחזית עתידית: רוברט פיידנהנס'ל דן בהתפתחויות במתקן לייזר האלקטרון האירופי ללא קרני רנטגן בהמבורג, גרמניה (באדיבות: STFC)

כחלק מסקירת העיצוב הרעיוני, סדרת אירועים וסדנאות בסגנון "עירייה" יתקיימו כעת ברחבי הארץ. UKRI מקווה שהמפגשים הללו יפגישו את הקהילה ויאפשרו לה להסביר למדענים על מה המכונות הללו יכולות לעשות. אירוע אחד צפוי להתקיים כל שלושה חודשים עד סוף 2024.

נושא מרכזי שהופיע בפגישת החברה המלכותית היה הצורך של בריטניה לחשוב מוקדם ככל האפשר על תהליך הרגולציה הדרוש בהתחשב בכך ש-XFEL בבריטניה כנראה יצטרך להיבנות, לפחות חלקית, באזור ירוק. ג'ים קלארק מ-ASTeC הדגיש כי קיימות תהיה גם חלק מרכזי בעיצוב. זה יכול לכלול, למשל, שימוש במוליכי-על עבור חללים בתדר רדיו שיכולים לפעול ביעילות בטמפרטורות מעל 2 K.

גורמים רשמיים באירוע בלונדון היו להוטים להכיר בכך שהדרישה העיקרית ל-XFEL בבריטניה היא שיהיו לו יכולות שאינן אפשריות כרגע במקומות אחרים. השקפה זו מגובה על ידי מנהל LCLS מייק דאן שאמר לנציגים שחדשנות תהיה המפתח בעת תכנון מתקן מהדור הבא. "איך נראים XFEL בשנות ה-2030 או ה-2040 עשוי להיות שונה מאוד ממה שהם נראים היום", הוא אומר.

אנחנו רק מתחילים לגרד את פני השטח של מה שהמכונות האלה יכולות לעשות

אמה מקברייד

עם זאת, ההחלטה להתחיל לעבוד על סקירת עיצוב קונספטואלית אינה אומרת שייבנה XFEL בבריטניה. כפי שהבהירו הדוברים בפגישת החברה המלכותית, ייתכן שהמסקנה היא שהמכונה יקרה מדי ושאפשרות טובה יותר תהיה לתמוך בפיתוחים ולהעמיק את הקשרים במתקן אחר.

אבל אם אפשרות מבוססת בריטניה נחשבת להימור הטוב ביותר ויש מימון זמין, השלב הבא יהיה עיצוב הנדסי על העיצוב המועדף. למרות שמשתמשים עשויים להמתין כמה עשורים כדי להתחיל ניסויים ב-XFEL הבריטי, המכונה יכולה להציע הרבה למדע. "אנחנו רק מתחילים לגרד את פני השטח של מה שהמכונות האלה יכולות לעשות", מציין מקברייד.

כיצד פועל לייזר אלקטרון חופשי בקרני רנטגן

XFELs פועלים על ידי האצת צרורות אלקטרונים במאיץ ליניארי לאנרגיות ג'יגה-אלקטרון וולט (GeV). לאחר מכן, האלקטרונים מועברים דרך "אנדולטורים" הגורמים לאלקטרונים ללכת במסלול סינוסואידי ולפלוט קרינת סינכרוטרונים בתהליך. מכיוון שהפוטונים בתחילה אינם קוהרנטיים ומרוכזים בטווח צר של אורכי גל, האור מוגבר לאור לייזר קוהרנטי על ידי תהליך המכונה פליטה ספונטנית מוגברת.

כאשר האלקטרונים עוברים דרך הגל, האור שהם פולטים יוצר אינטראקציה עם אלקטרונים הבאים מאחור ואינטראקציה זו מאיצה או מאטה את האלקטרונים בהתאם למיקומם ולפאזה של האור. התוצאה נטו היא שהאלקטרונים מתקבצים תוך כדי תנועה וכך מייצרים אור בשלב ובעוצמה גבוהה יותר.

שיטה זו מעניקה זוהר שיא של קרני רנטגן ב-XFEL בכ-10 סדרי גודל יותר ממקורות אור סינכרוטרוניים "דור שלישי" קיימים. ניתן לשנות בקלות את אורך הגל של האור גם על ידי שליטה באנרגיה של קרן האלקטרונים במאיץ הליניארי או בשדה המגנטי של הגלדים כדי לייצר קרני רנטגן באורך גל קטן כמו 0.1 ננומטר.

בול זמן:

עוד מ עולם הפיזיקה