Združeno kraljestvo je začelo projektiranje rentgenskega laserja s prostimi elektroni

Združeno kraljestvo je uradno začelo z načrtovanjem naslednje generacije rentgenskega laserja s prostimi elektroni (XFEL). Na njem se je srečalo več kot 150 raziskovalcev Royal Society v ponedeljek, da bi razpravljali o načrtih za XFEL s sedežem v Veliki Britaniji ki bi ga lahko, če bi dobil zeleno luč, zgradili v prihodnjih desetletjih. Raziskovalci bodo zdaj organizirali vrsto srečanj po vsej Veliki Britaniji, da bi ocenili zanimanje za objekt in razpravljali o tem, kakšno znanost lahko ustvari.

Medtem ko sinhrotroni uporabljajo rentgenske žarke za ustvarjanje statičnih slik ali posnetkov preiskovanega vzorca, lahko XFEL preučujejo dinamične procese, ker ustvarjajo impulze intenzivnih, koherentnih žarkov rentgenskih žarkov desettisočkrat na sekundo (glejte okvir spodaj). Vsak impulz traja manj kot 100 fs (10^-13 s), kar pomeni, da lahko raziskovalci na primer ustvarijo "filme" procesov kemičnih vezi ali analizirajo način, kako vibracijska energija teče čez material.

XFEL-i niso novi, saj je prvi takšen pripomoček, ki je na voljo na spletu Linac koherentni svetlobni vir (LCLS) v SLAC National Accelerator Laboratory v ZDA. Gradnja se je začela leta 2005 in bila dokončana štiri leta kasneje. Objekt je zdaj v fazi obsežne nadgradnje – znane kot LCLS II – to bo vključevalo povečanje števila rentgenskih impulzov na sekundo s 120 v LCLS na milijon v LCLS II.

Drugi XFEL so se kmalu odprli na Japonskem, v Nemčiji, Južni Koreji in Švici, kar pomeni, da je zdaj pet takih uporabniških objektov po vsem svetu. Leta 2008 je tudi Združeno kraljestvo začelo razmišljati o gostovanju namenskega XFEL, vendar se načrti niso uresničili. Združeno kraljestvo se je namesto tega odločilo pridružiti Evropski rentgenski laser s prostimi elektroni (European XFEL) v laboratoriju DESY blizu Hamburga v Nemčiji.

Evropski XFEL, ki je leta 2017 dosegel prvo svetlobo, ima 2.1 km dolg superprevodni linearni pospeševalnik, ki lahko pospeši elektrone do 17.5 GeV. Objekt proizvaja impulze rentgenskih žarkov 27 000-krat na sekundo, pri čemer vsak impulz traja manj kot 100 fs. Leta 2022 je bilo objavljenih več kot 120 člankov na podlagi poskusov, izvedenih v objektu.

Združeno kraljestvo je bilo sprva vključeno v evropski XFEL z razvojem tehnologije, načrtovanjem instrumentov, prispevanjem k gradnji in pridružitvijo uporabniškim konzorcijem. Združenega kraljestva Diamantni vir svetlobe v Oxfordshiru gosti tudi dva “pesta XFEL” – v fizikalnih in bioloških vedah – kjer britanski uporabniki evropskega XFEL dobijo podporo v smislu usposabljanja, priprave vzorcev in obdelave podatkov.

V 2018, Združeno kraljestvo je takrat postalo 12. država da se pridruži evropski XFEL in prispeva približno 26 milijonov EUR – ali 2 % – k stroškom gradnje 1.22 milijarde EUR (enakovredne cene iz leta 2005) objekta. Združeno kraljestvo je prav tako začelo plačevati 2 % letnih obratovalnih stroškov obrata, čeprav se je ta številka zdaj povečala na 7 %, saj je Združeno kraljestvo vključeno v podoben odstotek poskusov.

Operativni stroški objekta XFEL so lahko precejšnji. Evropski XFEL ima na primer letne obratovalne stroške 140 milijonov EUR, kar pomeni, da je izvedba vsakega od 100 poskusov, izvedenih v objektu lani, stala približno 1.4 milijona EUR. Toda glede na to, da je evropski XFEL petkrat preveč naročenih, še vedno obstaja zmogljivost za več strojev in Združeno kraljestvo je leta 2015 začelo ponovno preučevati primer lastnega XFEL.

Zgradite svojo

Zaradi vse večjega povpraševanja po XFEL-ih, Svet za znanost in tehnologijo (STFC) – ena od devetih agencij za financiranje raziskav v Združenem kraljestvu – izvedel strateški pregled laserja prostih elektronov, ki ga je zaključil leta 2016. Pregled je sklenil, da bi moralo Združeno kraljestvo zagotoviti, da je v "položaju, da sprejme končno odločitev o tem, ali bo zgradilo XFEL" do leta 2020.

Združeno kraljestvo je zamudilo ta rok, vendar je tisto leto objavilo znanstveni primer UK XFEL. Več kot 100 znanstvenikov z vsega sveta je pomagalo pripraviti osnutek poročila, v katerem je Združenemu kraljestvu priporočilo, naj izdela stroj, ki bo lahko proizvajal rentgenske žarke z energijo med 0.1 keV in 150 keV ter trajanjem impulza od 100 atosekund do 1 fs, kar bo omogočilo nove režimi, ki jih je treba raziskati.

Videz XFEL v 2030-ih ali 2040-ih se lahko zelo razlikuje od tega, kako izgledajo danes

Mike Dunne

Oktobra 2022 je bil predlog XFEL v Združenem kraljestvu povečan za 3.2 milijona GBP iz Združeno kraljestvo za raziskave in inovacije – krovna organizacija devetih raziskovalnih svetov Združenega kraljestva – za izvedbo pregleda konceptualne zasnove. Pričakuje se, da bo trajalo približno tri leta, vključevalo pa bo tudi posodobitev znanstvenega primera. Po mnenju fizika Iana Walmsleyja, rektorja Imperial College London, je pregled "pomemben korak" za projekt.

Med dogodkom v Kraljevi družbi so znanstveniki orisali, kaj bi lahko raziskal nov objekt. To vključuje kvantne materiale, dinamično strukturno biologijo in celo kot fizik in uporabnik XFEL Emma McBride s Queen's University Belfast je pojasnil, da bi bolje razumel razmere znotraj planetov.

David Dunning, fizik iz Centra za znanost in tehnologijo pospeševalnikov (ASTeC) v laboratoriju Daresbury, ugotavlja, da bi britanski XFEL, ki uporablja superprevodni linearni pospeševalnik 8 GeV, "pokril veliko znanstvene baze", ki je izšla iz ankete potencialnih uporabnikov. Toda ta energijska zahteva bo zdaj podrobneje raziskana med pregledom konceptualne zasnove.

Sodelovanje Skupnosti

Raziskava raziskovalnih skupin v Združenem kraljestvu, ki je bil izveden kot del znanstvenega primera XFEL v Združenem kraljestvu, je pokazal, da je bilo v zadnjem desetletju več kot 500 britanskih znanstvenikov dejavno vključenih v znanost XFEL. Ampak Jon Marangos z Imperial College London, ki je znanstveni vodja XFEL v Združenem kraljestvu, pravi, da bo v prihodnjih letih ključnega pomena razširiti sodelovanje znanstvene skupnosti, da se zagotovi, da se znanost XFEL ne bo spremenila v kliko uporabnikov.

V okviru pregleda idejne zasnove, po vsej državi bo zdaj potekala vrsta dogodkov in delavnic v slogu mestne hiše. UKRI upa, da bodo ta srečanja združila skupnost in omogočila, da znanstvenikom razloži, kaj ti stroji zmorejo. Do konca leta 2024 se bo vsake tri mesece odvijal en dogodek.

Ključna tema, ki se je pojavila na srečanju Kraljeve družbe, je bila potreba, da Združeno kraljestvo čim prej razmisli o potrebnem regulativnem postopku glede na to, da bo treba XFEL v Združenem kraljestvu vsaj delno zgraditi na območju zelenega pasu. Jim Clarke iz ASTeC poudaril, da bo trajnost tudi ključni del zasnove. To bi lahko na primer vključevalo uporabo superprevodnikov za radiofrekvenčne votline, ki lahko učinkovito delujejo pri temperaturah nad 2 K.

Uradniki na dogodku v Londonu so želeli priznati, da je glavna zahteva za britanski XFEL, da mora imeti zmogljivosti, ki trenutno niso možne drugje. To stališče podpira direktor LCLS Mike Dunne ki je delegatom povedal, da bodo inovacije ključne pri načrtovanju objekta naslednje generacije. "Kako so XFEL videti v 2030-ih ali 2040-ih, se lahko zelo razlikuje od tega, kako izgledajo danes," pravi.

Šele začenjamo praskati po površini, kaj zmorejo ti stroji

Emma McBride

Odločitev o začetku dela na pregledu konceptualne zasnove pa ne pomeni, da bo izdelan britanski XFEL. Kot so jasno povedali govorniki na srečanju Kraljeve družbe, bi lahko sklepali, da je stroj predrag in da bi bila boljša možnost podpreti razvoj in poglobiti vezi v drugem objektu.

Toda če se možnost s sedežem v Združenem kraljestvu šteje za najboljšo možnost in so na voljo sredstva, bi bil naslednji korak inženirska zasnova na priljubljeni zasnovi. Čeprav bodo uporabniki morda morali čakati več desetletij, da začnejo s poskusi na britanskem XFEL, bi stroj lahko veliko ponudil znanosti. "Šele začenjamo praskati po površini, kaj ti stroji zmorejo," ugotavlja McBride.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/