O Reino Unido inicia o trabalho de design para um laser de elétrons livres de raios X

O Reino Unido lançou oficialmente o início do trabalho de design para uma instalação de laser de elétrons livres de raios-X (XFEL) de próxima geração. Mais de 150 pesquisadores se reuniram no Royal Society na segunda-feira para discutir os planos para o XFEL baseada no Reino Unido que, se for aprovado, poderá ser construído nas próximas décadas. Os pesquisadores agora realizarão uma série de reuniões em todo o Reino Unido para avaliar o interesse em uma instalação e discutir que tipo de ciência ela pode produzir.

Enquanto os síncrotrons usam raios X para produzir imagens estáticas, ou instantâneos, de uma amostra sob investigação, os XFELs podem estudar processos dinâmicos porque geram pulsos de feixes de raios X intensos e coerentes dezenas de milhares de vezes por segundo (veja o quadro abaixo). Cada pulso dura menos de 100 fs (10^-13 s), o que significa que os pesquisadores podem, por exemplo, criar “filmes” de processos de ligação química ou analisar a forma como a energia vibracional flui através de um material.

Os XFELs não são novos, sendo o primeiro desses recursos a ficar online o Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory nos EUA. A construção começou em 2005 e foi concluída quatro anos depois. A instalação está passando por uma grande atualização - conhecida como LCLS II – que envolverá aumentar o número de pulsos de raios-X por segundo de 120 em LCLS para um milhão em LCLS II.

Outros XFELs logo foram abertos no Japão, Alemanha, Coréia do Sul e Suíça, o que significa que agora existem cinco dessas instalações de usuários em todo o mundo. Em 2008, o Reino Unido também começou a pensar em sediar um XFEL dedicado, mas os planos falharam em ganhar força. Em vez disso, o Reino Unido optou por aderir à Laser de elétrons livre de raios-X europeu (European XFEL) no laboratório DESY perto de Hamburgo, Alemanha.

O XFEL europeu, que alcançou a primeira luz em 2017, possui um acelerador linear supercondutor de 2.1 km que pode acelerar elétrons para 17.5 GeV. A instalação produz pulsos de raios X 27 vezes por segundo, com cada pulso durando menos de 000 fs. Em 100, foram publicados mais de 2022 artigos com base em experimentos realizados na unidade.

O Reino Unido esteve inicialmente envolvido com o XFEL europeu desenvolvendo tecnologia, projetando instrumentos, contribuindo para a construção e juntando-se a consórcios de usuários. do Reino Unido Fonte de luz diamante em Oxfordshire também hospeda dois “hubs XFEL” – nas ciências físicas e da vida – onde os usuários do Reino Unido do XFEL europeu recebem suporte em termos de treinamento, preparação de amostras e processamento de dados.

Em 2018, o Reino Unido tornou-se então o 12º país para ingressar no XFEL europeu, contribuindo com cerca de € 26 milhões - ou 2% - para o custo de construção da instalação de € 1.22 bilhão (preços equivalentes a 2005). O Reino Unido também começou a pagar 2% dos custos operacionais anuais da instalação, embora esse número tenha subido para 7% com o Reino Unido envolvido em uma porcentagem semelhante de experimentos.

Os custos operacionais de uma instalação XFEL podem ser significativos. O XFEL europeu, por exemplo, tem um custo operacional anual de € 140 milhões, o que significa que os 100 experimentos realizados na instalação no ano passado custaram cerca de € 1.4 milhão cada. Mas com o XFEL europeu sendo cinco vezes mais vendido, ainda há capacidade para mais máquinas e, em 2015, o Reino Unido começou a reexaminar o caso de seu próprio XFEL.

Construa seu próprio

Como resultado da crescente demanda por XFELs, o Conselho de Instalações Científicas e Tecnológicas (STFC) – uma das nove agências de fomento à pesquisa no Reino Unido – conduziu uma revisão estratégica do laser de elétrons livres, que foi concluído em 2016. A revisão concluiu que o Reino Unido deve garantir que está “em posição de tomar a decisão final sobre a construção ou não de um XFEL” até 2020.

O Reino Unido perdeu esse prazo, mas publicou um caso científico XFEL do Reino Unido naquele ano. Mais de 100 cientistas de todo o mundo ajudaram a elaborar o relatório, que recomendou ao Reino Unido construir uma máquina capaz de produzir raios-X com uma energia entre 0.1 keV e 150 keV e uma duração de pulso de 100 attossegundos a 1 fs, permitindo novos regimes a serem explorados.

A aparência dos XFELs em 2030 ou 2040 pode ser muito diferente de como eles são hoje

Mike Dunne

Em outubro de 2022, a proposta UK XFEL foi impulsionada em £ 3.2 milhões de Pesquisa e Inovação do Reino Unido – a organização guarda-chuva dos nove conselhos de pesquisa do Reino Unido – para realizar uma revisão do projeto conceitual. Espera-se que leve cerca de três anos para ser concluído e também envolverá a atualização do caso científico. Segundo o físico Ian Walmsley, reitor do Imperial College London, a revisão é um “passo importante” para o projeto.

Durante o evento na Royal Society, os cientistas descreveram o que uma nova instalação poderia investigar. Isso inclui materiais quânticos, biologia estrutural dinâmica e até mesmo, como físico e usuário do XFEL Emma McBride da Queen's University Belfast explicou, obtendo uma melhor compreensão das condições dentro dos planetas.

David Dunning, um físico do Centro de Ciência e Tecnologia do Acelerador (ASTeC) no Laboratório de Daresbury, observa que um XFEL do Reino Unido operando um acelerador linear supercondutor de 8 GeV “cobriria grande parte da base científica” que saiu da pesquisa de usuários em potencial. Mas esse requisito de energia agora será investigado com mais detalhes durante a revisão do projeto conceitual.

Envolvimento da Comunidade

Uma pesquisa de grupos de pesquisa no Reino Unido, conduzido como parte do caso científico XFEL do Reino Unido, indicou que mais de 500 cientistas do Reino Unido tiveram envolvimento ativo na ciência XFEL na última década. Mas Jon Marangos do Imperial College London, que é o líder científico do UK XFEL, diz que será crucial nos próximos anos ampliar o envolvimento da comunidade científica para garantir que a ciência do XFEL não se transforme em um grupo de usuários.

Como parte da revisão do projeto conceitual, uma série de eventos e workshops no estilo “prefeitura” agora serão realizados em todo o país. O UKRI espera que essas reuniões reúnam a comunidade e permitam que ela explique aos cientistas o que essas máquinas podem fazer. A expectativa é que um evento ocorra a cada três meses até o final de 2024.

Um tema-chave que surgiu na reunião da Royal Society foi a necessidade de o Reino Unido pensar o mais cedo possível sobre o processo regulatório necessário, uma vez que um UK XFEL provavelmente terá que ser construído, pelo menos em parte, em uma área verde. Jim Clarke da ASTeC destacou que a sustentabilidade também será uma parte fundamental do projeto. Isso pode incluir, por exemplo, o uso de supercondutores para cavidades de radiofrequência que podem operar efetivamente em temperaturas acima de 2 K.

Os funcionários do evento de Londres fizeram questão de reconhecer que o principal requisito para um XFEL do Reino Unido é que ele tenha recursos que atualmente não são possíveis em outros lugares. Essa visão é apoiada pelo diretor da LCLS Mike Dunne que disse aos delegados que a inovação será fundamental ao projetar uma instalação de próxima geração. “A aparência dos XFELs em 2030 ou 2040 pode ser muito diferente de como eles são hoje”, diz ele.

Estamos apenas começando a arranhar a superfície do que essas máquinas podem fazer

Emma McBride

A decisão de começar a trabalhar em uma revisão de projeto conceitual não significa, no entanto, que um UK XFEL será construído. Como os palestrantes da reunião da Royal Society deixaram claro, pode-se concluir que a máquina é muito cara e que uma opção melhor seria apoiar os desenvolvimentos e aprofundar os laços em outra instalação.

Mas se uma opção baseada no Reino Unido for considerada a melhor aposta e houver financiamento disponível, o próximo passo seria um projeto de engenharia no projeto preferido. Embora os usuários possam ter que esperar várias décadas para iniciar experimentos em um XFEL do Reino Unido, a máquina pode oferecer muito à ciência. “Estamos apenas começando a arranhar a superfície do que essas máquinas podem fazer”, observa McBride.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/