Великобритания приступает к разработке рентгеновского лазера на свободных электронах

Великобритания официально начала работы по проектированию нового поколения рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL). Более 150 исследователей встретились на Королевское научное общество в понедельник, чтобы обсудить планы на Британский XFEL которые, если дать добро, могут быть построены в ближайшие десятилетия. Исследователи теперь проведут серию встреч по всей Великобритании, чтобы оценить интерес к объекту и обсудить, какие научные исследования он может производить.

В то время как синхротроны используют рентгеновские лучи для создания статических изображений или моментальных снимков исследуемого образца, XFEL могут изучать динамические процессы, поскольку они генерируют импульсы интенсивных когерентных рентгеновских лучей десятки тысяч раз в секунду (см. вставку ниже). Каждый импульс длится менее 100 фс (10^-13 s), что означает, что исследователи могут, например, создавать «фильмы» о процессах химической связи или анализировать, как вибрационная энергия течет по материалу.

XFEL не новы, и первым таким средством, появившимся в сети, стал Когерентный источник света линейного ускорителя (LCLS) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США. Строительство началось в 2005 году и было завершено четыре года спустя. В настоящее время объект проходит серьезную модернизацию, известную как ЛКСС II – это потребует увеличения количества импульсов рентгеновского излучения в секунду со 120 в LCLS до одного миллиона в LCLS II.

Другие XFEL вскоре открылись в Японии, Германии, Южной Корее и Швейцарии, а это означает, что в настоящее время в мире насчитывается пять таких пользовательских объектов. В 2008 году Великобритания также начала рассматривать возможность размещения специального XFEL, но эти планы не оправдались. Вместо этого Великобритания решила присоединиться к Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (Европейский XFEL) в лаборатории DESY недалеко от Гамбурга, Германия.

Европейский XFEL, первый свет которого был получен в 2017 году, оснащен сверхпроводящим линейным ускорителем длиной 2.1 км, который может ускорять электроны до 17.5 ГэВ. Установка производит импульсы рентгеновского излучения 27 000 раз в секунду, причем каждый импульс длится менее 100 фс. В 2022 г. опубликовано более 120 статей по результатам проведенных на установке экспериментов.

Первоначально Великобритания участвовала в европейском XFEL, разрабатывая технологии, проектируя инструменты, внося свой вклад в строительство и присоединяясь к консорциумам пользователей. Великобритании Алмазный источник света в Оксфордшире также проходят два «концентраторы XFEL” – в физических науках и науках о жизни – где британским пользователям европейского XFEL оказывается поддержка в плане обучения, подготовки образцов и обработки данных.

В 2018 Великобритания затем стала 12-й страной присоединиться к европейскому XFEL, внеся около 26 млн евро, или 2%, в покрытие стоимости строительства объекта стоимостью 1.22 млрд евро (эквивалентные цены 2005 г.). Великобритания также начала оплачивать 2% годовых эксплуатационных расходов на установку, хотя сейчас эта цифра выросла до 7%, поскольку Великобритания участвует в таком же проценте экспериментов.

Эксплуатационные расходы установки XFEL могут быть значительными. Например, европейский XFEL имеет ежегодные эксплуатационные расходы в размере 140 млн евро, а это означает, что 100 экспериментов, проведенных на объекте в прошлом году, стоили около 1.4 млн евро каждый. Но с учетом того, что подписка на европейский XFEL в пять раз превышается, все еще есть возможности для большего количества машин, и в 2015 году Великобритания начала пересматривать случай для своего собственного XFEL.

Построй свой собственный

В результате растущего спроса на XFEL, Совет по науке и технологиям (STFC) – одно из девяти агентств по финансированию исследований в Великобритании – провел стратегический обзор лазера на свободных электронах, который был завершен в 2016 году. Обзор пришел к выводу, что Великобритания должна убедиться, что она «в состоянии принять окончательное решение о том, строить ли XFEL» к 2020 году.

Великобритания пропустила этот крайний срок, но в том же году опубликовала британский научный случай XFEL. Более 100 ученых со всего мира помогли составить отчет, в котором Великобритании рекомендовалось построить машину, способную генерировать рентгеновские лучи с энергией от 0.1 кэВ до 150 кэВ и длительностью импульса от 100 аттосекунд до 1 фс, что позволило создать новые режимы, подлежащие изучению.

То, как XFEL будут выглядеть в 2030-х или 2040-х годах, может сильно отличаться от того, как они выглядят сегодня.

Майк Данн

В октябре 2022 года предложение UK XFEL было увеличено на 3.2 миллиона фунтов стерлингов с Исследования и инновации в Великобритании – зонтичная организация девяти исследовательских советов Великобритании – для проведения обзора концептуального проекта. Ожидается, что это займет около трех лет, а также потребует обновления научной базы. По словам физика Яна Уолмсли, ректора Имперского колледжа Лондона, обзор является «важным шагом» для проекта.

Во время мероприятия в Королевском обществе ученые рассказали, что может исследовать новое учреждение. Это включает в себя квантовые материалы, динамическую структурную биологию и даже, как физик и пользователь XFEL Эмма Макбрайд из Королевского университета Белфаста, чтобы лучше понять условия внутри планет.

Дэвид Даннинг, физик из Ускорительного научно-технического центра (ASTeC) в лаборатории Дарсбери, отмечает, что британский XFEL, работающий на сверхпроводящем линейном ускорителе на 8 ГэВ, «покроет большую часть научной базы», ​​полученной в результате опроса потенциальных пользователей. Но эта потребность в энергии теперь будет изучена более подробно во время рассмотрения концептуального проекта.

участие сообщества

Опрос исследовательских групп в Великобритании, проведенный в рамках научного исследования XFEL в Великобритании, показал, что более 500 британских ученых принимали активное участие в научных исследованиях XFEL за последнее десятилетие. Но Джон Марангос из Имперского колледжа Лондона, который является научным руководителем британского XFEL, говорит, что в ближайшие годы будет крайне важно расширить участие научного сообщества, чтобы убедиться, что наука XFEL не превратится в клику пользователей.

В рамках рассмотрения концептуального проекта, серия мероприятий и мастер-классов в стиле «ратуши» теперь будет проходить по всей стране. UKRI надеется, что эти встречи объединят сообщество и позволят объяснить ученым, на что способны эти машины. Ожидается, что одно мероприятие будет проходить каждые три месяца до конца 2024 года.

Ключевой темой, поднятой на заседании Королевского общества, была необходимость для Великобритании как можно раньше подумать о необходимом процессе регулирования, учитывая, что британский XFEL, вероятно, придется построить, по крайней мере частично, в зеленой зоне. Джим Кларк из ASTeC подчеркнул, что устойчивость также будет ключевой частью дизайна. Это может включать, например, использование сверхпроводников для радиочастотных резонаторов, которые могут эффективно работать при температурах выше 2 К.

Официальные лица на лондонском мероприятии стремились признать, что основное требование к британскому XFEL состоит в том, что он должен иметь возможности, недоступные в настоящее время где-либо еще. Эту точку зрения поддерживает директор LCLS. Майк Данн который сказал делегатам, что инновации будут иметь ключевое значение при проектировании объекта следующего поколения. «То, как XFEL будут выглядеть в 2030-х или 2040-х годах, может сильно отличаться от того, как они выглядят сегодня», — говорит он.

Мы только начинаем царапать поверхность того, что могут делать эти машины.

Эмма Макбрайд

Однако решение начать работу над обзором концептуального проекта не означает, что будет построен британский XFEL. Как ясно заявили выступавшие на собрании Королевского общества, оно может прийти к выводу, что машина слишком дорогая и что лучшим вариантом будет поддержка разработок и углубление связей на другом объекте.

Но если британский вариант считается лучшим вариантом и есть доступное финансирование, следующим шагом будет инженерный проект предпочтительного проекта. Хотя пользователям, возможно, придется подождать несколько десятилетий, чтобы начать эксперименты с UK XFEL, машина может многое предложить науке. «Мы только начинаем поверхностно изучать возможности этих машин, — отмечает Макбрайд.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/