UK start ontwerpwerk voor een vrije-elektronenlaser voor röntgenstraling

Het VK heeft officieel de start van het ontwerpwerk voor een nieuwe generatie X-ray free-electron laser (XFEL) -faciliteit gelanceerd. Meer dan 150 onderzoekers ontmoetten elkaar op de Royal Society op maandag om de plannen voor de Britse XFEL dat, als het groen licht krijgt, in de komende decennia gebouwd zou kunnen worden. Onderzoekers zullen nu een reeks bijeenkomsten houden in het hele VK om de interesse in een faciliteit te peilen en te bespreken wat voor soort wetenschap het kan produceren.

Terwijl synchrotrons röntgenstralen gebruiken om statische beelden of snapshots van een onderzocht monster te produceren, kunnen XFEL's dynamische processen bestuderen omdat ze tienduizenden keren per seconde pulsen van intense, coherente röntgenstralen genereren (zie kader hieronder). Elke puls duurt minder dan 100 fs (10^-13 s), wat betekent dat onderzoekers bijvoorbeeld ‘films’ kunnen maken van chemische bindingsprocessen of de manier kunnen analyseren waarop trillingsenergie door een materiaal stroomt.

XFEL's zijn niet nieuw, met de eerste dergelijke faciliteit die online komt, de Linac coherente lichtbron (LCLS) bij het SLAC National Accelerator Laboratory in de VS. De bouw begon in 2005 en was vier jaar later voltooid. De faciliteit ondergaat nu een grote upgrade - bekend als LCLS II - dat houdt in dat het aantal röntgenpulsen per seconde moet worden verhoogd van 120 in LCLS tot een miljoen in LCLS II.

Andere XFEL's werden al snel geopend in Japan, Duitsland, Zuid-Korea en Zwitserland, wat betekent dat er nu vijf van dergelijke gebruikersfaciliteiten over de hele wereld zijn. In 2008 begon Groot-Brittannië ook te kijken naar het hosten van een speciale XFEL, maar de plannen kregen geen grip. Groot-Brittannië koos er in plaats daarvan voor om zich bij de Europese röntgenvrije elektronenlaser (Europese XFEL) in het DESY-lab nabij Hamburg, Duitsland.

De Europese XFEL, die in 2017 het eerste licht bereikte, beschikt over een supergeleidende lineaire versneller van 2.1 km die elektronen kan versnellen tot 17.5 GeV. De faciliteit produceert 27 keer per seconde röntgenpulsen, waarbij elke puls minder dan 000 fs duurt. In 100 werden meer dan 2022 artikelen gepubliceerd op basis van experimenten die in de faciliteit werden uitgevoerd.

Het VK was aanvankelijk betrokken bij de Europese XFEL door technologie te ontwikkelen, instrumenten te ontwerpen, bij te dragen aan de constructie en lid te worden van gebruikersconsortia. Die van het VK Diamant lichtbron in Oxfordshire herbergt ook twee “XFEL-naven” - in de fysische en levenswetenschappen - waar Britse gebruikers van de Europese XFEL ondersteuning krijgen op het gebied van training, monstervoorbereiding en gegevensverwerking.

In 2018, het VK werd toen het 12e land om zich aan te sluiten bij de Europese XFEL, en zo'n 26 miljoen euro – of 2% – bij te dragen aan de kosten van de bouw van de faciliteit van 1.22 miljard euro (equivalente prijzen van 2005). Groot-Brittannië begon ook 2% van de jaarlijkse exploitatiekosten van de faciliteit te betalen, hoewel dat cijfer nu is gestegen tot 7%, terwijl Groot-Brittannië betrokken is bij een vergelijkbaar percentage van de experimenten.

De operationele kosten van een XFEL-faciliteit kunnen aanzienlijk zijn. De Europese XFEL heeft bijvoorbeeld jaarlijkse bedrijfskosten van € 140 miljoen, wat betekent dat de 100 experimenten die vorig jaar in de faciliteit werden uitgevoerd elk ongeveer € 1.4 miljoen kosten om uit te voeren. Maar aangezien de Europese XFEL vijf keer overtekend is, is er nog steeds capaciteit voor meer machines en in 2015 begon het VK de zaak voor zijn eigen XFEL opnieuw te onderzoeken.

Bouw je eigen

Als gevolg van de groeiende vraag naar XFEL's, de Raad voor Wetenschap en Technologiefaciliteiten (STFC) – een van de negen onderzoeksfinanciers in het VK – voerde een strategische beoordeling uit met een vrije-elektronenlaser, die het in 2016 voltooide. De conclusie van de evaluatie was dat het VK ervoor moet zorgen dat het tegen 2020 "in staat is om de definitieve beslissing te nemen over het al dan niet bouwen van een XFEL".

Het VK miste die deadline, maar publiceerde dat jaar wel een Britse XFEL-wetenschappelijke casus. Meer dan 100 wetenschappers van over de hele wereld hielpen bij het opstellen van het rapport, waarin het VK werd aanbevolen een machine te bouwen die röntgenstralen kan produceren met een energie tussen 0.1 keV en 150 keV en een pulsduur van 100 attoseconden tot 1 fs, waardoor nieuwe te onderzoeken regimes.

Hoe XFEL's er in de jaren 2030 of 2040 uitzien, kan heel anders zijn dan hoe ze er vandaag uitzien

Mike Dunne

In oktober 2022 werd het Britse XFEL-voorstel met £ 3.2 miljoen verhoogd UK Research and Innovation – de overkoepelende organisatie voor de negen onderzoeksraden van Groot-Brittannië – om een ​​conceptueel ontwerponderzoek uit te voeren. De voltooiing zal naar verwachting zo'n drie jaar in beslag nemen en zal ook een actualisering van de wetenschappelijke casus met zich meebrengen. Volgens natuurkundige Ian Walmsley, provoost van het Imperial College London, is de herziening een “belangrijke stap” voor het project.

Tijdens het evenement bij de Royal Society schetsten wetenschappers wat een nieuwe faciliteit zou kunnen onderzoeken. Dit omvat kwantummaterialen, dynamische structurele biologie en zelfs als natuurkundige en XFEL-gebruiker Emma McBride van Queen's University Belfast uitgelegd, om een ​​beter begrip te krijgen van de omstandigheden binnen planeten.

David Dunning, een natuurkundige van het Accelerator Science and Technology Centre (ASTeC) van het Daresbury Laboratory, merkt op dat een Britse XFEL die een supergeleidende lineaire versneller van 8 GeV bedient “een groot deel van de wetenschappelijke basis zou bestrijken” die uit het onderzoek onder potentiële gebruikers naar voren kwam. Maar die energiebehoefte wordt nu tijdens de conceptuele ontwerptoets nader onderzocht.

Communautaire betrokkenheid

Een enquête onder onderzoeksgroepen in het VK, uitgevoerd als onderdeel van de Britse XFEL-wetenschapszaak, gaf aan dat meer dan 500 Britse wetenschappers actief betrokken waren bij XFEL-wetenschap in het afgelopen decennium. Maar Jon Marangos van Imperial College London, die de Britse XFEL's wetenschappelijke leider is, zegt dat het de komende jaren cruciaal zal zijn om de betrokkenheid van de wetenschappelijke gemeenschap te verbreden om ervoor te zorgen dat de XFEL-wetenschap niet verandert in een kliek van gebruikers.

Als onderdeel van de conceptuele ontwerpbeoordeling, een reeks evenementen en workshops in "stadhuisstijl" zal nu in het hele land worden gehouden. UKRI hoopt dat deze bijeenkomsten de gemeenschap bij elkaar zullen brengen en aan wetenschappers zullen uitleggen wat deze machines kunnen doen. Naar verwachting zal er tot eind 2024 elke drie maanden een evenement plaatsvinden.

Een belangrijk thema dat naar voren kwam tijdens de bijeenkomst van de Royal Society was de noodzaak voor Groot-Brittannië om zo vroeg mogelijk na te denken over het noodzakelijke regelgevingsproces, aangezien een Britse XFEL waarschijnlijk, althans gedeeltelijk, in een groengebied zal moeten worden gebouwd. Jim Clarke van ASTeC benadrukte dat duurzaamheid ook een belangrijk onderdeel van het ontwerp zal zijn. Hierbij kan bijvoorbeeld gedacht worden aan het gebruik van supergeleiders voor radiofrequente holtes die effectief kunnen werken bij temperaturen boven de 2 K.

Ambtenaren op het evenement in Londen wilden graag erkennen dat de belangrijkste vereiste voor een Britse XFEL is dat deze over capaciteiten moet beschikken die momenteel elders niet mogelijk zijn. Die visie wordt ondersteund door de directeur van LCLS Mike Dunne die de afgevaardigden vertelde dat innovatie van cruciaal belang zal zijn bij het ontwerpen van een faciliteit van de volgende generatie. “Hoe XFEL’s er in de jaren 2030 of 2040 uit zullen zien, kan heel anders zijn dan hoe ze er nu uitzien”, zegt hij.

We beginnen nog maar net aan de oppervlakte te komen van wat deze machines kunnen doen

Emma McBride

Het besluit om te gaan werken aan een conceptueel ontwerponderzoek betekent echter niet dat er een Britse XFEL zal worden gebouwd. Zoals sprekers op de bijeenkomst van de Royal Society duidelijk maakten, zou men kunnen concluderen dat de machine te duur is en dat het een betere optie zou zijn om de ontwikkelingen te ondersteunen en de banden in een andere faciliteit te verdiepen.

Maar als een in het VK gevestigde optie als de beste gok wordt beschouwd en er financiering beschikbaar is, is de volgende stap een technisch ontwerp van het favoriete ontwerp. Hoewel gebruikers misschien tientallen jaren moeten wachten om experimenten op een Britse XFEL te starten, kan de machine de wetenschap veel bieden. "We beginnen pas aan de oppervlakte te komen van wat deze machines kunnen doen", merkt McBride op.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/