Велика Британія починає проектування рентгенівського лазера на вільних електронах

У Великій Британії офіційно розпочато проектування нового покоління рентгенівського лазера на вільних електронах (XFEL). Понад 150 дослідників зустрілися на Королівське наукове товариство у понеділок, щоб обговорити плани щодо XFEL із Великобританії який, якщо дадуть добро, можна було б побудувати в найближчі десятиліття. Тепер дослідники проведуть серію зустрічей по всій Великобританії, щоб оцінити інтерес до закладу та обговорити, яку науку він може створити.

Тоді як синхротрони використовують рентгенівське випромінювання для створення статичних зображень або знімків досліджуваного зразка, XFEL можуть вивчати динамічні процеси, оскільки вони генерують імпульси інтенсивних, когерентних рентгенівських променів десятки тисяч разів на секунду (див. рамку нижче). Кожен імпульс триває менше 100 фс (10^-13 s), що означає, що дослідники можуть, наприклад, створювати «фільми» процесів хімічного зв’язку або аналізувати те, як вібраційна енергія тече через матеріал.

XFEL не є новим, і першим подібним засобом, який вийшов в Інтернет, є Лінаковий когерентний джерело світла (LCLS) у Національній прискорювальній лабораторії SLAC у США. Будівництво почалося в 2005 році і завершилося через чотири роки. Об’єкт зараз проходить серйозну модернізацію – відомий як LCLS II – це передбачатиме збільшення кількості рентгенівських імпульсів за секунду зі 120 у LCLS до одного мільйона в LCLS II.

Інші XFEL незабаром відкрилися в Японії, Німеччині, Південній Кореї та Швейцарії, що означає, що зараз у світі існує п’ять таких об’єктів для користувачів. У 2008 році Велика Британія також почала розглядати можливість розміщення виділеного XFEL, але плани не здійснилися. Натомість Великобританія вирішила приєднатися Європейський рентгенівський лазер на вільних електронах (Європейський XFEL) у лабораторії DESY поблизу Гамбурга, Німеччина.

Європейський XFEL, який засвітився вперше в 2017 році, має надпровідний лінійний прискорювач довжиною 2.1 км, який може прискорювати електрони до 17.5 ГеВ. Установка виробляє імпульси рентгенівського випромінювання 27 000 разів на секунду, причому кожен імпульс триває менше 100 фс. У 2022 році було опубліковано понад 120 статей за результатами експериментів, проведених на установці.

Сполучене Королівство спочатку було залучено до європейського XFEL шляхом розробки технологій, проектування приладів, внеску в будівництво та приєднання до консорціумів користувачів. Великобританії Алмазне джерело світла в Оксфордширі також приймає два “Втулки XFEL” – у фізичних та біологічних науках – де британські користувачі європейського XFEL отримують підтримку з точки зору навчання, підготовки зразків та обробки даних.

У 2018, тоді Великобританія стала 12-ю країною щоб приєднатися до європейської XFEL, вклавши близько 26 мільйонів євро – або 2% – у вартість будівництва об’єкта вартістю 1.22 мільярда євро (еквівалентні ціни 2005 року). Велика Британія також почала сплачувати 2% річних експлуатаційних витрат об’єкта, хоча тепер ця цифра зросла до 7%, оскільки Велика Британія бере участь у аналогічному відсотку експериментів.

Експлуатаційні витрати установки XFEL можуть бути значними. Європейський XFEL, наприклад, має річну експлуатаційну вартість 140 мільйонів євро, що означає, що 100 експериментів, проведених на установці минулого року, коштували приблизно 1.4 мільйона євро. Але з огляду на те, що підписка на європейський XFEL у п’ять разів перевищення, все ще є можливості для нових машин, і в 2015 році Велика Британія почала переглядати питання щодо власного XFEL.

Створіть свій власний

В результаті зростаючого попиту на XFEL, Рада науково-технічних засобів (STFC) – одне з дев’яти агентств фінансування досліджень у Великобританії – провели стратегічний огляд лазера на вільних електронах, який він завершив у 2016 році. Огляд зробив висновок, що Велика Британія повинна переконатися, що вона «в змозі прийняти остаточне рішення щодо створення XFEL» до 2020 року.

Сполучене Королівство пропустило цей термін, але того року опублікувало науковий кейс Великобританії XFEL. Понад 100 вчених з усього світу допомогли скласти звіт, у якому Великобританія рекомендувала побудувати машину, здатну виробляти рентгенівське випромінювання з енергією від 0.1 кеВ до 150 кеВ і тривалістю імпульсу від 100 аттосекунд до 1 фс, що дозволяє створювати нові режими для вивчення.

Те, як XFEL виглядають у 2030-х чи 2040-х роках, може сильно відрізнятися від того, як вони виглядають сьогодні

Майк Данн

У жовтні 2022 року пропозиція XFEL у Великобританії була збільшена на 3.2 мільйона фунтів стерлінгів із Британські дослідження та інновації – головна організація для дев’яти дослідницьких рад Великобританії – для проведення огляду концептуального дизайну. Очікується, що це займе близько трьох років, а також включатиме оновлення наукового обґрунтування. За словами фізика Яна Уолмслі, ректора Імперського коледжу Лондона, перегляд є «важливим кроком» для проекту.

Під час заходу в Королівському товаристві вчені окреслили, що може досліджувати новий заклад. Це включає в себе квантові матеріали, динамічну структурну біологію і навіть, як фізик і користувач XFEL Емма Макбрайд з Королівського університету в Белфасті, щоб краще зрозуміти умови всередині планет.

Девід Даннінг, фізик з Науково-технологічного центру прискорювачів (ASTeC) у лабораторії Дарсбері, зазначає, що британський XFEL, який працює на надпровідному лінійному прискорювачі на 8 ГеВ, «охопить велику частину наукової бази», яку випливає з опитування потенційних користувачів. Але ця потреба в енергії тепер буде досліджена більш детально під час перегляду концептуального проекту.

Залучення громади

Опитування дослідницьких груп у Великобританії, проведений у рамках дослідження XFEL у Великобританії, показав, що понад 500 британських вчених брали активну участь у науці XFEL протягом останнього десятиліття. але Джон Марангос з Імперського коледжу Лондона, який є науковим керівником XFEL у Великій Британії, каже, що в найближчі роки буде надзвичайно важливо розширити залучення наукової спільноти, щоб переконатися, що наука XFEL не перетвориться на кліку користувачів.

У рамках огляду концептуального проекту, серія заходів та майстер-класів у стилі «ратуші» тепер пройде по всій країні. UKRI сподівається, що ці зустрічі об’єднають спільноту та дозволять їй пояснити вченим, на що здатні ці машини. Очікується, що один захід відбуватиметься кожні три місяці до кінця 2024 року.

Ключовою темою, яка виникла на засіданні Королівського товариства, була потреба Великобританії якомога раніше подумати про необхідний процес регулювання, враховуючи те, що Великобританія XFEL, ймовірно, доведеться будувати, принаймні частково, в зоні зеленої смуги. Джим Кларк з ASTeC підкреслив, що стійкість також буде ключовою частиною дизайну. Це може включати, наприклад, використання надпровідників для радіочастотних резонаторів, які можуть ефективно працювати при температурах вище 2 К.

Офіційні особи на заході в Лондоні дуже хотіли визнати, що головною вимогою до британського XFEL є те, що він повинен мати можливості, які зараз недоступні в інших місцях. Цю точку зору підтримує директор LCLS Майк Данн який сказав делегатам, що інновації будуть ключовими при проектуванні об’єкта наступного покоління. «Те, як XFEL виглядатимуть у 2030-х чи 2040-х роках, може сильно відрізнятися від того, як вони виглядають сьогодні», — каже він.

Ми лише починаємо дряпати поверхню того, що ці машини можуть робити

Емма Макбрайд

Однак рішення розпочати роботу над оглядом концептуального проекту не означає, що Великобританія XFEL буде створена. Як пояснювали доповідачі на засіданні Королівського товариства, можна зробити висновок, що машина надто дорога і що кращим варіантом буде підтримка розробок і поглиблення зв’язків на іншому об’єкті.

Але якщо британський варіант вважається найкращим вибором і є доступне фінансування, наступним кроком буде інженерний проект на обраному проекті. Хоча користувачам, можливо, доведеться чекати кілька десятиліть, щоб розпочати експерименти на британському XFEL, машина може багато чого запропонувати науці. «Ми лише починаємо дряпати поверхню того, що ці машини можуть робити», — зазначає Макбрайд.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/