Marea Britanie începe lucrările de proiectare pentru un laser cu raze X cu electroni liberi

Marea Britanie a lansat oficial începutul lucrărilor de proiectare pentru o instalație de laser cu electroni liberi cu raze X de ultimă generație (XFEL). Peste 150 de cercetători s-au întâlnit la Royal Society luni pentru a discuta planurile pentru XFEL cu sediul în Marea Britanie care, dacă i s-ar primi aprobarea, ar putea fi construită în următoarele decenii. Cercetătorii vor organiza acum o serie de întâlniri în Marea Britanie pentru a evalua interesul față de o instalație și a discuta ce fel de știință poate produce.

În timp ce sincrotronii folosesc razele X pentru a produce imagini statice sau instantanee ale unui eșantion aflat în investigație, XFEL-urile pot studia procesele dinamice deoarece generează impulsuri de fascicule de raze X intense și coerente de zeci de mii de ori pe secundă (vezi caseta de mai jos). Fiecare impuls durează mai puțin de 100 fs (10^-13 s), ceea ce înseamnă că cercetătorii pot, de exemplu, să creeze „filme” ale proceselor de legare chimică sau să analizeze modul în care energia vibrațională curge printr-un material.

XFEL-urile nu sunt noi, prima astfel de facilitate care vine online fiind Linac Sursă de lumină coerentă (LCLS) la Laboratorul Național de Accelerator SLAC din SUA. Construcția a început în 2005 și a fost finalizată patru ani mai târziu. Instalația trece acum printr-o modernizare majoră – cunoscută sub numele de LCLS II – care va implica creșterea numărului de impulsuri de raze X pe secundă de la 120 în LCLS la un milion în LCLS II.

Alte XFEL s-au deschis curând în Japonia, Germania, Coreea de Sud și Elveția, ceea ce înseamnă că acum există cinci astfel de facilități pentru utilizatori în întreaga lume. În 2008, Marea Britanie a început, de asemenea, să caute să găzduiască un XFEL dedicat, dar planurile nu au reușit să câștige teren. În schimb, Marea Britanie a ales să se alăture Laser european cu raze X cu electroni liberi (XFEL european) la laboratorul DESY de lângă Hamburg, Germania.

XFEL european, care a obținut prima lumină în 2017, are un accelerator liniar supraconductor de 2.1 km care poate accelera electronii la 17.5 GeV. Instalația produce impulsuri de raze X de 27 000 de ori pe secundă, fiecare impuls având o durată mai mică de 100 fs. În 2022, au fost publicate peste 120 de articole pe baza experimentelor efectuate la unitate.

Regatul Unit a fost inițial implicat în XFEL european prin dezvoltarea tehnologiei, proiectarea instrumentelor, contribuția la construcție și aderarea la consorții de utilizatori. Cei din Marea Britanie Sursa de lumină diamantată în Oxfordshire găzduiește și două „Butuci XFEL” – în științele fizice și ale vieții – unde utilizatorilor din Marea Britanie ai XFEL european li se acordă sprijin în ceea ce privește formarea, pregătirea probelor și prelucrarea datelor.

În 2018, Marea Britanie a devenit apoi a 12-a țară să se alăture XFEL european, contribuind cu aproximativ 26 de milioane de euro – sau 2% – la costul construirii instalației de 1.22 miliarde de euro (prețuri echivalente în 2005). Marea Britanie a început, de asemenea, să plătească 2% din costurile anuale de operare ale instalației, deși această cifră a crescut acum la 7%, Regatul Unit fiind implicat într-un procent similar de experimente.

Costurile operaționale ale unei instalații XFEL pot fi semnificative. XFEL european, de exemplu, are un cost anual de funcționare de 140 de milioane de euro, ceea ce înseamnă că cele 100 de experimente efectuate la instalație anul trecut au costat fiecare aproximativ 1.4 milioane de euro. Dar, având în vedere că XFEL-ul european este de cinci ori supraabonat, există încă capacitate pentru mai multe mașini și în 2015 Marea Britanie a început să reexamineze cazul pentru propriul XFEL.

Construi propria

Ca urmare a cererii tot mai mari de XFEL, Consiliul pentru Facilități Științifice și Tehnologice (STFC) – una dintre cele nouă agenții de finanțare a cercetării din Marea Britanie – a efectuat o revizuire strategică cu laser cu electroni liberi, pe care a finalizat-o în 2016. Analiza a concluzionat că Regatul Unit ar trebui să se asigure că este „în poziția de a lua decizia finală cu privire la construirea unui XFEL” până în 2020.

Regatul Unit a ratat termenul limită, dar a publicat un caz științific XFEL din Regatul Unit în acel an. Peste 100 de oameni de știință din întreaga lume au contribuit la elaborarea raportului, care a recomandat Regatului Unit să construiască o mașină capabilă să producă raze X cu o energie între 0.1 keV și 150 keV și o durată a impulsului de 100 attosecunde la 1 fs, permițând noi regimuri de explorat.

Cum arată XFEL-urile în anii 2030 sau 2040 poate fi foarte diferit de ceea ce arată astăzi

Mike Dunne

În octombrie 2022, propunerea XFEL din Regatul Unit a fost sporită cu 3.2 milioane de lire sterline Cercetare și inovare în Marea Britanie – organizația-umbrelă pentru cele nouă consilii de cercetare din Regatul Unit – pentru a efectua o revizuire a designului conceptual. Este de așteptat să dureze aproximativ trei ani pentru finalizare și va implica, de asemenea, actualizarea cazului științific. Potrivit fizicianului Ian Walmsley, rector al Imperial College London, revizuirea este un „pas important” pentru proiect.

În timpul evenimentului de la Royal Society, oamenii de știință au subliniat ce ar putea investiga o nouă unitate. Aceasta include materiale cuantice, biologie structurală dinamică și chiar, ca fizician și utilizator XFEL Emma McBride de la Universitatea Queen din Belfast a explicat, obținând o mai bună înțelegere a condițiilor din interiorul planetelor.

David Dunning, un fizician de la Centrul de Știință și Tehnologie Accelerator (ASTeC) de la Laboratorul Daresbury, observă că un XFEL din Marea Britanie care operează un accelerator liniar supraconductor de 8 GeV „ar acoperi o mare parte din baza științifică” care a rezultat din sondajul potențialilor utilizatori. Dar această cerință de energie va fi acum investigată mai în detaliu în timpul revizuirii designului conceptual.

Angajamentul comunitar

Un sondaj al grupurilor de cercetare din Marea Britanie, realizat ca parte a cazului științific XFEL din Regatul Unit, a indicat că peste 500 de oameni de știință din Regatul Unit s-au implicat activ în știința XFEL în ultimul deceniu. Dar Jon Marangos de la Imperial College London, care este liderul științific al XFEL din Marea Britanie, spune că va fi esențial în următorii ani să se extindă angajamentul comunității științifice pentru a se asigura că știința XFEL nu se va transforma într-o clică de utilizatori.

Ca parte a revizuirii designului conceptual, o serie de evenimente și ateliere în stil „primărie” vor avea loc acum în toată țara. UKRI speră că aceste întâlniri vor aduce comunitatea împreună și o vor lăsa să explice oamenilor de știință ce pot face aceste mașini. Un eveniment este de așteptat să aibă loc la fiecare trei luni până la sfârșitul anului 2024.

O temă cheie care a apărut la reuniunea Societății Regale a fost necesitatea ca Marea Britanie să se gândească cât mai devreme la procesul de reglementare necesar, având în vedere că un XFEL din Regatul Unit va trebui probabil construit, cel puțin parțial, într-o zonă de centură verde. Jim Clarke de la ASTeC a subliniat că sustenabilitatea va fi, de asemenea, o parte cheie a designului. Aceasta ar putea include, de exemplu, utilizarea supraconductoarelor pentru cavitățile de radiofrecvență care pot funcționa eficient la temperaturi de peste 2 K.

Oficialii de la evenimentul de la Londra au fost dornici să recunoască faptul că principala cerință pentru un XFEL din Marea Britanie este ca acesta să aibă capabilități care nu sunt posibile în prezent în altă parte. Această viziune este susținută de directorul LCLS Mike Dunne care le-a spus delegaților că inovația va fi esențială atunci când se proiectează o instalație de generație următoare. „Modul în care arată XFEL-urile în anii 2030 sau 2040 poate fi foarte diferit de ceea ce arată astăzi”, spune el.

Abia începem să zgâriem suprafața a ceea ce pot face aceste mașini

Emma McBride

Decizia de a începe lucrul la o revizuire a designului conceptual nu înseamnă, totuși, că va fi construit un XFEL din Marea Britanie. După cum au precizat în mod clar vorbitorii de la reuniunea Societății Regale, s-ar putea concluziona că mașina este prea scumpă și că o opțiune mai bună ar fi sprijinirea dezvoltărilor și aprofundarea legăturilor la o altă unitate.

Dar dacă o opțiune din Marea Britanie este considerată cea mai bună și există finanțare disponibilă, următorul pas ar fi un proiect ingineresc pe designul preferat. Deși utilizatorii ar putea fi nevoiți să aștepte câteva decenii pentru a începe experimentele pe un XFEL din Marea Britanie, aparatul ar putea oferi multe științei. „Abia începem să zgâriem suprafața a ceea ce pot face aceste mașini”, notează McBride.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/