สหราชอาณาจักรเริ่มงานออกแบบเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเอ็กซ์เรย์

สหราชอาณาจักรได้เปิดตัวการเริ่มต้นของงานออกแบบอย่างเป็นทางการสำหรับโรงงาน X-ray free-electron laser (XFEL) ยุคหน้า นักวิจัยกว่า 150 คนพบกันที่ ราชสมาคม ในวันจันทร์เพื่อหารือเกี่ยวกับแผนสำหรับ XFEL ในสหราชอาณาจักร ที่หากได้รับไปข้างหน้าสามารถสร้างได้ในทศวรรษต่อ ๆ ไป ตอนนี้นักวิจัยจะจัดการประชุมหลายครั้งทั่วสหราชอาณาจักรเพื่อประเมินความสนใจในสิ่งอำนวยความสะดวกและหารือเกี่ยวกับประเภทของวิทยาศาสตร์ที่อาจสร้างขึ้น

ในขณะที่ซินโครตรอนใช้รังสีเอกซ์เพื่อสร้างภาพนิ่งหรือสแนปช็อตของตัวอย่างที่กำลังตรวจสอบ แต่ XFEL สามารถศึกษากระบวนการเชิงไดนามิกได้เนื่องจากซินโครตรอนสร้างพัลส์ของลำแสงรังสีเอกซ์ที่เข้มข้นและสอดคล้องกันหลายหมื่นครั้งต่อวินาที (ดูกล่องด้านล่าง) แต่ละพัลส์กินเวลาน้อยกว่า 100 fs (10^-13 s) ซึ่งหมายความว่านักวิจัยสามารถสร้าง "ภาพยนตร์" ของกระบวนการพันธะเคมีหรือวิเคราะห์วิธีที่พลังงานสั่นสะเทือนไหลผ่านวัสดุได้

XFEL ไม่ใช่เรื่องใหม่ โดยสิ่งอำนวยความสะดวกดังกล่าวแห่งแรกที่ออนไลน์คือ Linac แหล่งกำเนิดแสงที่เชื่อมโยงกัน (LCLS) ที่ SLAC National Accelerator Laboratory ในสหรัฐอเมริกา การก่อสร้างเริ่มขึ้นในปี 2005 และสร้างเสร็จในอีกสี่ปีต่อมา สิ่งอำนวยความสะดวกกำลังอยู่ในระหว่างการปรับปรุงขนานใหญ่ – เรียกว่า LCLS II – ซึ่งจะเกี่ยวข้องกับการเพิ่มจำนวนพัลส์เอ็กซ์เรย์ต่อวินาทีจาก 120 ใน LCLS เป็นหนึ่งล้านใน LCLS II

XFEL อื่นๆ ได้เปิดให้บริการในญี่ปุ่น เยอรมนี เกาหลีใต้ และสวิตเซอร์แลนด์ ซึ่งหมายความว่าขณะนี้มีศูนย์อำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้ดังกล่าวห้าแห่งทั่วโลก ในปี 2008 สหราชอาณาจักรก็เริ่มพิจารณาที่จะเป็นเจ้าภาพจัด XFEL โดยเฉพาะ แต่แผนดังกล่าวไม่ได้รับความสนใจ สหราชอาณาจักรเลือกที่จะเข้าร่วมแทน เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ X-ray ของยุโรป (XFEL ของยุโรป) ที่ห้องปฏิบัติการ DESY ใกล้เมืองฮัมบูร์ก ประเทศเยอรมนี

European XFEL ซึ่งประสบความสำเร็จแสงแรกในปี 2017 มีตัวเร่งเชิงเส้นตัวนำยิ่งยวดยาว 2.1 กม. ซึ่งสามารถเร่งอิเล็กตรอนให้เป็น 17.5 GeV โรงงานแห่งนี้ผลิตพัลส์รังสีเอกซ์ 27 ครั้งต่อวินาที โดยแต่ละพัลส์ยาวนานน้อยกว่า 000 fs ในปี 100 มีการเผยแพร่บทความมากกว่า 2022 บทความโดยอิงจากการทดลองที่ดำเนินการในโรงงานแห่งนี้

เริ่มแรก สหราชอาณาจักรมีส่วนร่วมกับ XFEL ของยุโรปโดยการพัฒนาเทคโนโลยี การออกแบบเครื่องมือ การสนับสนุนการก่อสร้าง และการเข้าร่วมกลุ่มผู้ใช้ ของสหราชอาณาจักร แหล่งกำเนิดแสงเพชร ในอ็อกซ์ฟอร์ดเชียร์ยังเป็นเจ้าภาพอีกสองแห่ง “ฮับ ​​XFEL” – ในด้านวิทยาศาสตร์กายภาพและชีววิทยาศาสตร์ – ที่ซึ่งผู้ใช้ European XFEL ของสหราชอาณาจักรได้รับการสนับสนุนในแง่ของการฝึกอบรม การเตรียมตัวอย่าง และการประมวลผลข้อมูล

ใน 2018, จากนั้นสหราชอาณาจักรกลายเป็นประเทศที่ 12 เพื่อเข้าร่วม European XFEL โดยบริจาคเงินจำนวน 26 ล้านยูโร หรือ 2% ให้กับต้นทุนการสร้างสิ่งอำนวยความสะดวก 1.22 พันล้านยูโร (ราคาเทียบเท่าปี 2005) สหราชอาณาจักรยังเริ่มจ่าย 2% ของต้นทุนการดำเนินงานต่อปีของโรงงานแห่งนี้ แม้ว่าตัวเลขดังกล่าวจะเพิ่มขึ้นเป็น 7% โดยสหราชอาณาจักรมีส่วนร่วมในการทดลองในเปอร์เซ็นต์ที่ใกล้เคียงกัน

ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานของโรงงาน XFEL อาจมีความสำคัญ ตัวอย่างเช่น XFEL ของยุโรป มีค่าใช้จ่ายดำเนินการต่อปี 140 ล้านยูโร หมายความว่าการทดลอง 100 ครั้งที่ดำเนินการที่โรงงานเมื่อปีที่แล้ว แต่ละครั้งมีค่าใช้จ่ายประมาณ 1.4 ล้านยูโรในการดำเนินการ แต่เนื่องจาก XFEL ของยุโรปมีการสมัครเกินจำนวนถึง 2015 เท่า จึงยังคงมีความจุสำหรับเครื่องอื่นๆ และในปี XNUMX สหราชอาณาจักรเริ่มตรวจสอบกรณีสำหรับ XFEL ของตนเองอีกครั้ง

สร้างของคุณเอง

อันเป็นผลจากความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับ XFELs สภาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสิ่งอำนวยความสะดวก (STFC) – หนึ่งในเก้าหน่วยงานให้ทุนวิจัยในสหราชอาณาจักร – ดำเนินการทบทวนกลยุทธ์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระซึ่งเสร็จสิ้นในปี 2016 การทบทวนสรุปว่าสหราชอาณาจักรควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าอยู่ใน "สถานะที่จะตัดสินใจขั้นสุดท้ายว่าจะสร้าง XFEL หรือไม่" ภายในปี 2020

สหราชอาณาจักรพลาดกำหนดเวลาดังกล่าว แต่ได้เผยแพร่กรณีวิทยาศาสตร์ของสหราชอาณาจักร XFEL ในปีนั้น นักวิทยาศาสตร์มากกว่า 100 คนจากทั่วโลกช่วยกันร่างรายงาน ซึ่งแนะนำให้สหราชอาณาจักรสร้างเครื่องที่สามารถผลิตรังสีเอกซ์ที่มีพลังงานระหว่าง 0.1 keV ถึง 150 keV และระยะเวลาของพัลส์ที่ 100 attoseconds ถึง 1 fs ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างใหม่ได้ ระบอบการปกครองที่จะสำรวจ

รูปลักษณ์ของ XFEL ในปี 2030 หรือ 2040 อาจแตกต่างอย่างมากกับรูปลักษณ์ในปัจจุบัน

ไมค์ ดันน์

ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2022 ข้อเสนอ XFEL ของสหราชอาณาจักรได้รับการสนับสนุนจำนวน 3.2 ล้านปอนด์จาก การวิจัยและนวัตกรรมแห่งสหราชอาณาจักร – องค์กรแม่ของสภาวิจัยทั้งเก้าแห่งของสหราชอาณาจักร – เพื่อดำเนินการทบทวนการออกแบบแนวความคิด คาดว่าจะใช้เวลาประมาณสามปีจึงจะเสร็จสมบูรณ์ และจะเกี่ยวข้องกับการอัปเดตกรณีทางวิทยาศาสตร์ด้วย ตามที่นักฟิสิกส์ Ian Walmsley ผู้อำนวยการของ Imperial College London การทบทวนนี้เป็น "ขั้นตอนสำคัญ" สำหรับโครงการ

ในระหว่างงานที่ Royal Society นักวิทยาศาสตร์ได้สรุปว่าโรงงานแห่งใหม่อาจสอบสวนอะไร ซึ่งรวมถึงวัสดุควอนตัม ชีววิทยาโครงสร้างไดนามิก และแม้แต่ในฐานะนักฟิสิกส์และผู้ใช้ XFEL เอ็มมา แมคไบรด์ จากมหาวิทยาลัยควีนส์ เบลฟาสต์ อธิบาย ทำให้เข้าใจเงื่อนไขภายในดาวเคราะห์ได้ดีขึ้น

เดวิด ดันนิ่งนักฟิสิกส์จากศูนย์วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีการเร่งความเร็ว (ASTeC) ที่ห้องปฏิบัติการ Daresbury ตั้งข้อสังเกตว่า XFEL ของสหราชอาณาจักรที่ใช้เครื่องเร่งเชิงเส้นตัวนำยิ่งยวดขนาด 8 GeV “จะครอบคลุมฐานวิทยาศาสตร์จำนวนมาก” ที่มาจากการสำรวจผู้ที่มีแนวโน้มจะเป็นผู้ใช้ แต่ความต้องการพลังงานนั้นจะได้รับการตรวจสอบอย่างละเอียดมากขึ้นในระหว่างการทบทวนการออกแบบแนวความคิด

ส่วนร่วมของชุมชน

การสำรวจของกลุ่มวิจัยในสหราชอาณาจักรซึ่งดำเนินการโดยเป็นส่วนหนึ่งของกรณีวิทยาศาสตร์ XFEL ของสหราชอาณาจักร ระบุว่านักวิทยาศาสตร์ในสหราชอาณาจักรกว่า 500 คนมีส่วนร่วมในวิทยาศาสตร์ XFEL อย่างแข็งขันในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา แต่ จอน มารังโกส จาก Imperial College London ซึ่งเป็นผู้นำด้านวิทยาศาสตร์ของ XFEL ในสหราชอาณาจักร กล่าวว่า ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า การขยายการมีส่วนร่วมของชุมชนวิทยาศาสตร์จะมีความสำคัญมากขึ้น เพื่อให้แน่ใจว่าวิทยาศาสตร์ของ XFEL จะไม่กลายเป็นกลุ่มผู้ใช้

ในส่วนของการทบทวนแนวคิดการออกแบบ ขณะนี้จะมีการจัดกิจกรรมและเวิร์กช็อปสไตล์ "ศาลากลาง" ทั่วประเทศ. UKRI หวังว่าการประชุมเหล่านี้จะนำชุมชนมารวมกันและอธิบายให้นักวิทยาศาสตร์ฟังว่าเครื่องจักรเหล่านี้ทำอะไรได้บ้าง คาดว่าจะมีงานหนึ่งงานเกิดขึ้นทุก ๆ สามเดือนจนถึงสิ้นปี 2024

ประเด็นสำคัญที่ปรากฏในการประชุม Royal Society คือความจำเป็นที่สหราชอาณาจักรต้องคิดให้เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เกี่ยวกับกระบวนการกำกับดูแลที่จำเป็น เนื่องจาก UK XFEL อาจจะต้องถูกสร้างขึ้น อย่างน้อยก็ในบางส่วนในพื้นที่แถบสีเขียว จิม คลาร์ก จาก ASTeC เน้นย้ำว่าความยั่งยืนจะเป็นส่วนสำคัญของการออกแบบด้วย ซึ่งอาจรวมถึง ตัวอย่างเช่น การใช้ตัวนำยิ่งยวดสำหรับช่องความถี่วิทยุที่สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงกว่า 2 เคลวิน

เจ้าหน้าที่ในงานลอนดอนต่างกระตือรือร้นที่จะรับทราบว่าข้อกำหนดหลักสำหรับ UK XFEL คือควรจะมีความสามารถที่ไม่สามารถทำได้ที่อื่นในปัจจุบัน มุมมองนั้นได้รับการสำรองโดยผู้อำนวยการ LCLS ไมค์ ดันน์ ซึ่งบอกกับผู้ร่วมประชุมว่านวัตกรรมจะเป็นกุญแจสำคัญในการออกแบบสิ่งอำนวยความสะดวกแห่งยุคหน้า “รูปลักษณ์ของ XFEL ในปี 2030 หรือ 2040 อาจแตกต่างไปจากรูปลักษณ์ในปัจจุบันอย่างมาก” เขากล่าว

เราเพิ่งเริ่มต้นที่จะขีดข่วนพื้นผิวของสิ่งที่เครื่องจักรเหล่านี้สามารถทำได้

เอ็มมา แมคไบรด์

อย่างไรก็ตาม การตัดสินใจเริ่มงานทบทวนการออกแบบแนวความคิดไม่ได้หมายความว่า UK XFEL จะถูกสร้างขึ้น ตามที่วิทยากรในการประชุม Royal Society ระบุไว้อย่างชัดเจน อาจสรุปได้ว่าเครื่องจักรนี้มีราคาแพงเกินไป และทางเลือกที่ดีกว่าคือการสนับสนุนการพัฒนาและกระชับความสัมพันธ์ที่ลึกซึ้งในโรงงานอื่น

แต่ถ้าตัวเลือกในสหราชอาณาจักรถือเป็นทางออกที่ดีที่สุดและมีเงินทุนเพียงพอ ขั้นตอนต่อไปคือการออกแบบทางวิศวกรรมบนการออกแบบที่ได้รับการสนับสนุน แม้ว่าผู้ใช้อาจต้องรอหลายสิบปีเพื่อเริ่มการทดลองกับ XFEL ของสหราชอาณาจักร แต่เครื่องนี้สามารถให้ประโยชน์มากมายแก่วิทยาศาสตร์ “เราเพิ่งเริ่มต้นที่จะขีดเส้นว่าเครื่องจักรเหล่านี้ทำอะไรได้บ้าง” McBride กล่าว

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/