Storbritannia starter designarbeid for en røntgenfri-elektronlaser

Storbritannia har offisielt lansert starten på designarbeidet for neste generasjons X-ray free-electron laser (XFEL) anlegg. Over 150 forskere møttes på Royal Society på mandag for å diskutere planene for Storbritannia-baserte XFEL som, hvis gitt klarsignal, kan bygges i de kommende tiårene. Forskere vil nå holde en serie møter over hele Storbritannia for å måle interessen for et anlegg og diskutere hva slags vitenskap det kan produsere.

Mens synkrotroner bruker røntgenstråler for å produsere statiske bilder, eller øyeblikksbilder, av en prøve som er under undersøkelse, kan XFEL-er studere dynamiske prosesser fordi de genererer pulser av intense, koherente røntgenstråler titusenvis av ganger per sekund (se boksen nedenfor). Hver puls varer mindre enn 100 fs (10^-13 s), som betyr at forskere for eksempel kan lage "filmer" av kjemiske bindingsprosesser eller analysere måten vibrasjonsenergien flyter over et materiale.

XFEL-er er ikke nye, med det første slike anlegg som kom online er Linac Koherent lyskilde (LCLS) ved SLAC National Accelerator Laboratory i USA. Byggingen startet i 2005 og ble fullført fire år senere. Anlegget gjennomgår nå en større oppgradering – kjent som LCLS II – Det vil innebære å øke antall røntgenpulser per sekund fra 120 i LCLS til én million i LCLS II.

Andre XFEL-er åpnet snart i Japan, Tyskland, Sør-Korea og Sveits, noe som betyr at det nå er fem slike brukerfasiliteter rundt om i verden. I 2008 begynte Storbritannia også å se på å være vertskap for en dedikert XFEL, men planene klarte ikke å få gjennomslag. Storbritannia valgte i stedet å bli med Europeisk røntgenfri elektronlaser (European XFEL) ved DESY-laboratoriet nær Hamburg, Tyskland.

Den europeiske XFEL, som oppnådde første lys 2017, har en 2.1 km superledende lineær akselerator som kan akselerere elektroner til 17.5 GeV. Anlegget produserer pulser av røntgenstråler 27 000 ganger per sekund, med hver puls som varer mindre enn 100 fs. I 2022 ble det publisert mer enn 120 artikler basert på forsøk utført ved anlegget.

Storbritannia var opprinnelig involvert i det europeiske XFEL ved å utvikle teknologi, designe instrumenter, bidra til konstruksjon og bli med i brukerkonsortier. Storbritannias Diamant lyskilde i Oxfordshire er også vert for to "XFEL nav” – innen fysisk og biovitenskap – hvor britiske brukere av det europeiske XFEL gis støtte i form av opplæring, prøveforberedelse og databehandling.

I 2018, Storbritannia ble deretter det 12. landet å bli med i det europeiske XFEL, og bidra med rundt 26 millioner euro – eller 2 % – til kostnadene ved å bygge anlegget på 1.22 milliarder euro (ekvivalente priser i 2005). Storbritannia begynte også å betale 2% av de årlige driftskostnadene til anlegget, selv om dette tallet nå har steget til 7% med Storbritannia som er involvert i en tilsvarende prosentandel av eksperimenter.

Driftskostnadene til et XFEL-anlegg kan være betydelige. Den europeiske XFEL har for eksempel en årlig driftskostnad på €140 millioner, noe som betyr at de 100 eksperimentene som ble utført ved anlegget i fjor hver kostet rundt €1.4 millioner å gjennomføre. Men med den europeiske XFEL som er fem ganger overtegnet, er det fortsatt kapasitet til flere maskiner, og i 2015 begynte Storbritannia å undersøke saken på nytt for sin egen XFEL.

Bygg din egen

Som et resultat av den økende etterspørselen etter XFEL-er, rådet for vitenskap og teknologi (STFC) – et av de ni forskningsfinansieringsbyråene i Storbritannia – gjennomførte en strategisk gjennomgang av fri-elektronlaser, som den fullførte i 2016. Gjennomgangen konkluderte med at Storbritannia bør sikre at de er i «en posisjon til å ta den endelige beslutningen om hvorvidt de skal bygge en XFEL» innen 2020.

Storbritannia gikk glipp av denne fristen, men publiserte en britisk XFEL-vitenskapssak det året. Mer enn 100 forskere fra hele verden hjalp til med å utarbeide rapporten, som anbefalte Storbritannia å bygge en maskin som er i stand til å produsere røntgenstråler med en energi mellom 0.1 keV og 150 keV og en pulsvarighet på 100 attosekunder til 1 fs, noe som åpner for nye regimer som skal utforskes.

Hvordan XFEL-er ser ut på 2030- eller 2040-tallet kan være veldig forskjellig fra hvordan de ser ut i dag

Mike Dunne

I oktober 2022 ble det britiske XFEL-forslaget forsterket med 3.2 millioner pund fra Storbritannia Forskning og innovasjon – paraplyorganisasjonen for Storbritannias ni forskningsråd – for å gjennomføre en konseptuell designgjennomgang. Det forventes å ta rundt tre år å fullføre og vil også innebære oppdatering av vitenskapssaken. I følge fysiker Ian Walmsley, prost ved Imperial College London, er anmeldelsen et "viktig skritt" for prosjektet.

Under arrangementet i Royal Society skisserte forskere hva et nytt anlegg kan undersøke. Dette inkluderer kvantematerialer, dynamisk strukturbiologi og til og med, som fysiker og XFEL-bruker Emma McBride fra Queen's University Belfast forklart, å få en bedre forståelse av forholdene inne i planeter.

David Dunning, en fysiker fra Accelerator Science and Technology Center (ASTeC) ved Daresbury Laboratory, bemerker at en britisk XFEL som driver en 8 GeV superledende lineær akselerator "ville dekke mye av vitenskapsgrunnlaget" som kom ut av undersøkelsen av potensielle brukere. Men det energibehovet skal nå undersøkes mer detaljert under den konseptuelle designgjennomgangen.

Samfunnsengasjement

En undersøkelse av forskningsgrupper i Storbritannia, utført som en del av den britiske XFEL-vitenskapssaken, indikerte at over 500 britiske forskere har hatt aktivt engasjement i XFEL-vitenskap det siste tiåret. Men Jon Marangos fra Imperial College London, som er UK XFELs vitenskapsleder, sier at det vil være avgjørende i de kommende årene å utvide engasjementet til det vitenskapelige samfunnet for å sikre at XFEL-vitenskapen ikke blir til en klikk av brukere.

Som en del av den konseptuelle designgjennomgangen, en rekke arrangementer og workshops i "rådhusstil" vil nå bli holdt rundt om i landet. UKRI håper disse møtene vil bringe samfunnet sammen og la det forklare for forskere om hva disse maskinene kan gjøre. Ett arrangement forventes å finne sted hver tredje måned frem til slutten av 2024.

Et sentralt tema som dukket opp på Royal Society-møtet var behovet for Storbritannia å tenke så tidlig som mulig om den nødvendige reguleringsprosessen gitt at en britisk XFEL sannsynligvis må bygges, i det minste delvis, i et grøntbelte-område. Jim Clarke fra ASteC fremhevet at bærekraft også vil være en sentral del av designet. Dette kan for eksempel inkludere å bruke superledere for radiofrekvente hulrom som kan fungere effektivt ved temperaturer over 2 K.

Tjenestemenn ved London-arrangementet var opptatt av å erkjenne at hovedkravet for en britisk XFEL er at den skal ha funksjoner som foreløpig ikke er mulig andre steder. Det synet støttes av LCLS-direktør Mike Dunne som fortalte delegatene at innovasjon vil være nøkkelen når man skal designe et neste generasjons anlegg. "Hvordan XFEL-er ser ut på 2030- eller 2040-tallet kan være veldig forskjellig fra hvordan de ser ut i dag," sier han.

Vi begynner bare å skrape i overflaten av hva disse maskinene kan gjøre

Emma McBride

Beslutningen om å starte arbeidet med en konseptuell designgjennomgang betyr imidlertid ikke at en UK XFEL skal bygges. Som foredragsholdere på Royal Society-møtet gjorde det klart, kan det konkluderes med at maskinen er for dyr og at et bedre alternativ ville være å støtte utviklingen og fordype båndene ved et annet anlegg.

Men hvis et britisk-basert alternativ anses som det beste alternativet og det er finansiering tilgjengelig, vil neste trinn være et ingeniørdesign på det foretrukne designet. Selv om brukere kan måtte vente flere tiår for å starte eksperimenter på en britisk XFEL, kan maskinen tilby mye for vitenskapen. "Vi begynner bare å skrape i overflaten av hva disse maskinene kan gjøre," bemerker McBride.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/