Storbritannien startar designarbetet för en röntgenfrielektronlaser

Storbritannien har officiellt lanserat starten på designarbetet för nästa generations X-ray free-electron laser (XFEL) anläggning. Över 150 forskare träffades på Royal Society på måndag för att diskutera planerna för Storbritannien-baserade XFEL som, om det ges klartecken, skulle kunna byggas under de kommande decennierna. Forskare kommer nu att hålla en serie möten över hela Storbritannien för att mäta intresset för en anläggning och diskutera vilken typ av vetenskap den kan producera.

Medan synkrotroner använder röntgenstrålar för att producera statiska bilder, eller ögonblicksbilder, av ett prov som undersöks, kan XFELs studera dynamiska processer eftersom de genererar pulser av intensiva, koherenta röntgenstrålar tiotusentals gånger per sekund (se rutan nedan). Varje puls varar mindre än 100 fs (10^-13 s), vilket innebär att forskare till exempel kan skapa "filmer" av kemiska bindningsprocesser eller analysera hur vibrationsenergi flödar över ett material.

XFELs är inte nya, med den första sådana anläggningen att komma online är Linac koherent ljuskälla (LCLS) vid SLAC National Accelerator Laboratory i USA. Bygget påbörjades 2005 och stod klart fyra år senare. Anläggningen genomgår nu en stor uppgradering – känd som LCLS II – det kommer att innebära att öka antalet röntgenpulser per sekund från 120 i LCLS till en miljon i LCLS II.

Andra XFELs öppnade snart i Japan, Tyskland, Sydkorea och Schweiz vilket innebär att det nu finns fem sådana användaranläggningar runt om i världen. Under 2008 började Storbritannien också undersöka att vara värd för en dedikerad XFEL men planerna lyckades inte få genomslag. Storbritannien valde istället att gå med i Europeisk röntgenfri elektronlaser (European XFEL) vid DESY-labbet nära Hamburg, Tyskland.

Den europeiska XFEL, som uppnådde första ljuset 2017, har en 2.1 km supraledande linjäraccelerator som kan accelerera elektroner till 17.5 GeV. Anläggningen producerar pulser av röntgenstrålar 27 000 gånger per sekund, där varje puls varar mindre än 100 fs. År 2022 publicerades över 120 artiklar baserade på experiment utförda på anläggningen.

Storbritannien var initialt involverat i det europeiska XFEL genom att utveckla teknik, designa instrument, bidra till konstruktionen och gå med i användarkonsortier. Storbritanniens Diamantljuskälla i Oxfordshire är också värd för två "XFEL nav” – inom fysik och biovetenskap – där brittiska användare av den europeiska XFEL ges stöd i form av utbildning, provförberedelser och databearbetning.

2018, Storbritannien blev då det 12:e landet att gå med i det europeiska XFEL och bidra med cirka 26 miljoner euro – eller 2 % – till kostnaden för att bygga faciliteten på 1.22 miljarder euro (motsvarande priser 2005). Storbritannien började också betala 2 % av de årliga driftskostnaderna för anläggningen, även om den siffran nu har stigit till 7 % och Storbritannien är inblandat i en liknande andel av experimenten.

Driftskostnaderna för en XFEL-anläggning kan vara betydande. Den europeiska XFEL, till exempel, har en årlig driftskostnad på 140 miljoner euro, vilket innebär att de 100 experiment som genomfördes vid anläggningen förra året vardera kostade cirka 1.4 miljoner euro att genomföra. Men med den europeiska XFEL som är fem gånger övertecknad finns det fortfarande kapacitet för fler maskiner och 2015 började Storbritannien att ompröva fallet för sin egen XFEL.

Bygg din egen

Som ett resultat av den växande efterfrågan på XFEL, Science and Technology Facilities Council (STFC) – en av de nio forskningsfinansieringsbyråerna i Storbritannien – genomförde en strategisk granskning av fri-elektronlaser, som den slutförde 2016. Granskningen drog slutsatsen att Storbritannien borde se till att det är i "en position att fatta det slutgiltiga beslutet om huruvida man ska bygga en XFEL" senast 2020.

Storbritannien missade den deadline men publicerade ett brittiskt XFEL-vetenskapsfall det året. Mer än 100 forskare från hela världen hjälpte till att utarbeta rapporten, som rekommenderade Storbritannien att bygga en maskin som kan producera röntgenstrålar med en energi mellan 0.1 keV och 150 keV och en pulslängd på 100 attosekunder till 1 fs, vilket möjliggör nya regimer som ska utforskas.

Hur XFELs ser ut på 2030- eller 2040-talet kan skilja sig mycket från hur de ser ut idag

Mike Dunne

I oktober 2022 förstärktes det brittiska XFEL-förslaget med 3.2 miljoner pund från Brittisk forskning och innovation – paraplyorganisationen för Storbritanniens nio forskningsråd – att genomföra en konceptuell designgranskning. Det förväntas ta cirka tre år att slutföra och kommer också att innebära en uppdatering av vetenskapsfallet. Enligt fysikern Ian Walmsley, provost vid Imperial College London, är granskningen ett "viktigt steg" för projektet.

Under evenemanget på Royal Society beskrev forskare vad en ny anläggning kan undersöka. Detta inkluderar kvantmaterial, dynamisk strukturbiologi och även, som fysiker och XFEL-användare Emma McBride från Queen's University Belfast förklarade, att få en bättre förståelse av förhållandena inuti planeter.

David Dunning, en fysiker från Accelerator Science and Technology Center (ASTeC) vid Daresbury Laboratory, noterar att en brittisk XFEL som driver en 8 GeV supraledande linjär accelerator "skulle täcka en stor del av den vetenskapliga basen" som kom ut ur undersökningen av potentiella användare. Men det energibehovet kommer nu att utredas närmare under den konceptuella designgenomgången.

Samhällsengagemang

En undersökning av forskargrupper i Storbritannien, som genomfördes som en del av det brittiska XFEL-vetenskapsfallet, visade att över 500 brittiska forskare har haft aktivt engagemang i XFEL-vetenskap under det senaste decenniet. Men Jon Marangos från Imperial College London, som är brittiska XFEL:s vetenskapsledare, säger att det kommer att vara avgörande under de kommande åren att bredda engagemanget från forskarsamhället för att se till att XFEL-vetenskapen inte förvandlas till en klick användare.

Som en del av den konceptuella designgranskningen, en rad evenemang och workshops i "stadshusstil" kommer nu att hållas runt om i landet. UKRI hoppas att dessa möten kommer att sammanföra samhället och låta det förklara för forskare om vad dessa maskiner kan göra. Ett evenemang förväntas äga rum var tredje månad fram till slutet av 2024.

Ett nyckeltema som kom fram vid Royal Society-mötet var behovet för Storbritannien att så tidigt som möjligt tänka på den nödvändiga regleringsprocessen med tanke på att en brittisk XFEL förmodligen kommer att behöva byggas, åtminstone delvis, i ett grönt område. Jim Clarke från ASteC betonade att hållbarhet också kommer att vara en viktig del av designen. Detta kan till exempel inkludera att använda supraledare för radiofrekventa kaviteter som kan fungera effektivt vid temperaturer över 2 K.

Tjänstemän vid London-evenemanget var angelägna om att erkänna att huvudkravet för en brittisk XFEL är att den ska ha funktioner som för närvarande inte är möjliga någon annanstans. Den uppfattningen backas upp av LCLS-direktören Mike Dunne som berättade för delegaterna att innovation kommer att vara nyckeln när man designar en nästa generations anläggning. "Hur XFEL ser ut på 2030-talet eller 2040-talet kan skilja sig mycket från hur de ser ut idag", säger han.

Vi börjar bara skrapa på ytan av vad dessa maskiner kan göra

Emma McBride

Beslutet att påbörja arbetet med en konceptuell designgranskning innebär dock inte att en brittisk XFEL kommer att byggas. Som talare vid Royal Society-mötet klargjorde, kan man dra slutsatsen att maskinen är för dyr och att ett bättre alternativ skulle vara att stödja utvecklingen och fördjupningen vid en annan anläggning.

Men om ett Storbritannien-baserat alternativ anses vara det bästa alternativet och det finns finansiering tillgänglig, skulle nästa steg vara en teknisk design på den gynnade designen. Även om användare kan behöva vänta flera decennier för att starta experiment på en brittisk XFEL, kan maskinen erbjuda mycket för vetenskapen. "Vi börjar bara skrapa på ytan av vad dessa maskiner kan göra", konstaterar McBride.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/