英国启动 X 射线自由电子激光器的设计工作

英国已正式启动下一代 X 射线自由电子激光 (XFEL) 设施的设计工作。 超过 150 名研究人员参加了会议 英国皇家学会 周一讨论计划 英国XFEL 如果获得批准，可以在未来几十年内建成。 研究人员现在将在英国各地举行一系列会议，以评估对设施的兴趣并讨论它可能产生什么样的科学成果。

同步加速器使用 X 射线生成正在研究的样本的静态图像或快照，而 XFEL 可以研究动态过程，因为它们每秒产生数万次强烈、相干的 X 射线束脉冲（见下框）。 每个脉冲持续时间小于 100 fs (10 ^{- 13} s)，这意味着研究人员可以，例如，制作化学键合过程的“电影”或分析振动能量流过材料的方式。

XFEL 并不新鲜，第一个上线的此类设施是 直线加速器相干光源 (LCLS) 在美国 SLAC 国家加速器实验室。 建设始于 2005 年，四年后竣工。 该设施目前正在进行重大升级——称为 LCLS II – 这将涉及将每秒 X 射线脉冲数从 LCLS 的 120 个提高到 LCLS II 的 XNUMX 万个。

其他 XFEL 很快在日本、德国、韩国和瑞士开业，这意味着现在全球有五个这样的用户设施。 2008 年，英国也开始考虑设立专门的 XFEL，但该计划未能获得支持。 英国反而选择加入 欧洲 X 射线自由电子激光器 （欧洲 XFEL）在德国汉堡附近的 DESY 实验室。

2017 年实现第一盏灯的欧洲 XFEL 具有 2.1 公里的超导直线加速器，可以将电子加速到 17.5 GeV。 该设施每秒产生 27 次 X 射线脉冲，每个脉冲持续时间不到 000 fs。 100 年，根据在该设施进行的实验发表了 2022 多篇文章。

英国最初通过开发技术、设计仪器、参与建设和加入用户联盟来参与欧洲 XFEL。 英国的 钻石光源 在牛津郡还举办了两个“XFEL 中心”——在物理和生命科学领域——欧洲 XFEL 的英国用户在培训、样品制备和数据处理方面得到支持。

2018年， 英国随后成为第12个国家 加入欧洲 XFEL，为建设 26 亿欧元（2 年同等价格）设施的成本贡献约 1.22 万欧元（或 2005%）。 英国也开始支付该设施年度运营成本的 2%，尽管随着英国参与了类似比例的实验，这一数字现已上升至 7%。

XFEL 设施的运营成本可能很高。 例如，欧洲 XFEL 每年的运行成本为 140 亿欧元，这意味着去年在该设施进行的 100 项实验每项成本约为 1.4 万欧元。 但由于欧洲 XFEL 被超额认购了五倍，仍然有更多机器的容量，并且在 2015 年，英国开始重新审查其自己的 XFEL 的案例。

建立

由于对 XFEL 的需求不断增长， 科技设施委员会 (STFC) – 英国九个研究资助机构之一 – 进行了自由电子激光战略审查，它于 2016 年完成。审查得出的结论是，英国应确保到 2020 年“能够就是否建立 XFEL 做出最终决定”。

英国错过了最后期限，但当年确实发布了英国 XFEL 科学案例。 来自世界各地的 100 多位科学家帮助起草了该报告，该报告建议英国建造一台能够产生能量在 0.1 keV 到 150 keV 之间、脉冲持续时间为 100 阿秒到 1 fs 的 X 射线的机器，从而允许新的待探索的制度。

XFEL 在 2030 年代或 2040 年代的样子可能与今天的样子大不相同

迈克邓恩

2022 年 3.2 月，英国的 XFEL 提案获得了 XNUMX 万英镑的支持 英国研究与创新 – 英国九个研究委员会的伞式组织 – 进行概念设计审查。 预计需要大约三年时间才能完成，还将涉及更新科学案例。 据伦敦帝国理工学院教务长、物理学家伊恩·沃尔姆斯利 (Ian Walmsley) 称，审查是该项目的“重要一步”。

在皇家学会的活动期间，科学家们概述了新设施可能研究的内容。这包括量子材料、动态结构生物学，甚至作为物理学家和 XFEL 用户 艾玛麦克布莱德 来自贝尔法斯特女王大学的科学家解释说，对行星内部的情况有了更好的了解。

大卫邓宁达斯伯里实验室加速器科学与技术中心 (ASTeC) 的物理学家指出，运行 8 GeV 超导线性加速器的英国 XFEL“将涵盖对潜在用户的调查得出的大量科学基础”。但现在将在概念设计审查期间更详细地研究能源需求。

社区参与

对英国研究小组的调查作为英国 XFEL 科学案例的一部分进行的，表明在过去十年中，超过 500 名英国科学家积极参与了 XFEL 科学。 但 乔恩马兰戈斯 来自伦敦帝国理工学院的英国 XFEL 科学负责人表示，未来几年扩大科学界的参与以确保 XFEL 科学不会变成用户小集团至关重要。

作为概念设计审查的一部分， 现在将在全国各地举办一系列“市政厅”式的活动和研讨会。 UKRI 希望这些会议能够将社区聚集在一起，并向科学家解释这些机器的功能。预计每三个月举办一次活动，直至 2024 年底。

在皇家学会会议上出现的一个关键主题是英国需要尽早考虑必要的监管程序，因为英国 XFEL 可能必须至少部分地建造在绿化带区域。 来自 ASTeC 的 Jim Clarke 强调可持续性也将是设计的关键部分。 例如，这可能包括将超导体用于可以在 2 K 以上的温度下有效运行的射频腔。

伦敦会议的官员热衷于承认英国 XFEL 的主要要求是它应该具有目前其他地方不可能的能力。 该观点得到 LCLS 主任的支持 迈克邓恩 谁告诉代表们，创新将是设计下一代设施的关键。 “XFEL 在 2030 年代或 2040 年代的样子可能与今天的样子大不相同，”他说。

我们才刚刚开始触及这些机器的皮毛

艾玛麦克布莱德

然而，开始进行概念设计审查的决定并不意味着将建造英国 XFEL。 正如皇家学会会议上的发言者所明确指出的那样，它可能会得出结论，该机器太贵了，更好的选择是支持发展并加深与另一个设施的联系。

但是，如果英国的选择被认为是最好的选择并且有可用的资金，那么下一步将是在首选设计的基础上进行工程设计。 尽管用户可能需要等待几十年才能在英国 XFEL 上开始实验，但该机器可以为科学提供很多帮助。 “对于这些机器的功能，我们才刚刚开始触及皮毛，”麦克布赖德指出。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/uk-kicks-off-design-work-for-an-x-ray-free-electron-laser/