European XFEL

[Δροσος Γεωργιος]

Πρώτη δέσμη στο μεγαλύτερο λέιζερ ακτίνων Χ στον κόσμο.

Μία νέα εποχή ανέτειλε για την ευρωπαϊκή επιστημονική έρευνα, με τη δημιουργία της πρώτης δέσμης από το μεγαλύτερο λέιζερ ακτίνων Χ στον κόσμο. Το European XFEL, όπως ονομάζεται η διάταξη, βρίσκεται στο Αμβούργο, στην υπόγεια εγκατάσταση του επιταχυντή DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron).

Το European XFEL έρχεται να προστεθεί στα μόλις 4 ανάλογα μηχανήματα που υπάρχουν παγκοσμίως. Θα μπορεί να παράγει 27.000 παλμούς ανά δευτερόλεπτο, με μήκος κύματος 500 φορές μικρότερο από το ορατό φως. Έτσι, θα δώσει τη δυνατότητα στους επιστήμονες να αποτυπώσουν δομές του μικρόκοσμου σε ατομική κλίμακα.

Ανάμεσα σε αυτές τις δομές που θα μελετηθούν διεξοδικότερα είναι διαφόρων ειδών βιομόρια, για την καλύτερη κατανόηση αρκετών ασθενειών και την ανάπτυξη νέων θεραπειών. Επίσης, αναμένεται να ανοίξει νέους δρόμους στη δημιουργία νέων υλικών και την έρευνα χημικών αντιδράσεων και καταλυτικών τεχνικών, με σκοπό πιο “φιλικές” στο περιβάλλον εφαρμογές.

«Το European XFEL θα μας παράσχει τις πιο λεπτομερείς εικόνες της μοριακής δομής νέων υλικών και φαρμάκων, όπως επίσης και πρωτόγνωρες καταγραφές της εξέλιξης βιοχημικών αντιδράσεων», δήλωσε ο Χέλμουτ Ντος, Διευθυντής του DESY.

Η δέσμη δημιουργήθηκε από μία δέσμη ηλεκτρονίων που προήλθε από έναν γραμμικό επιταχυντή - το βασικό εξάρτημα της διάταξης. Στην 2,1 χιλιομέτρων σήραγγα του επιταχυντή, επιταχύνθηκαν παλμοί ηλεκτρονίων, ως προεργασία για τη δημιουργία της δέσμης. Με ταχύτητα σχεδόν όση το φως και πολύ μεγάλη ενέργεια, οι παλμοί στη συνέχεια εκτράπηκαν μέσα στο σήραγγα φωτονίων, κατά μήκος των 210 μέτρων της οποίας είναι διατεταγμένες συσκευές παραγωγής ακτίνων Χ.

Εκεί, 17.290 μόνιμοι μαγνήτες με εναλλασσόμενους πόλους αλληλεπίδρασαν με τους παλμούς, επιταχύνοντας περαιτέρω τα ηλεκτρόνια, ώστε να αρχίσουν να εκπέμπουν ακτινοβολία Χ εξαιρετικά μικρού μήκους κύματος. Για την πρώτη δοκιμή, η ακτινοβολία αυτή απορροφήθηκε αφότου μετρήθηκε, χωρίς να οδηγηθεί στον χώρο διεξαγωγής πειραμάτων.

Στον συγκεκριμένο χώρο, θα εγκατασταθούν έξι επιστημονικά όργανα για τα πειράματα των επιστημόνων, Όταν θα γίνει η επίσημη έναρξη λειτουργίας του European XFEL, στις αρχές Σεπτεμβρίου, δύο όργανα θα βρίσκονται ήδη στις θέσεις τους.

http://www.naftemporiki.gr/story/1232760/proti-desmi-sto-megalutero-leizer-aktinon-x-ston-kosmo

Το επεξεργάστηκε Ιανουάριος 10, 2024 ο Δροσος Γεωργιος

[Δροσος Γεωργιος]

Ευρωπαϊκό XFEL
European Ray X-Ray Free-Electron Laser Facility GmbH
Είδος εταιρείας Θεμελιώδης έρευνα
Ιδρύθηκε στις 23 Σεπτεμβρίου 2009. πριν από 15 χρόνια
Έδρα Σένεφελντ, Γερμανία
Ιστοσελίδα www.xfel.eu
Το European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) είναι μια ερευνητική εγκατάσταση λέιζερ ακτίνων Χ που τέθηκε σε λειτουργία το 2017. Οι πρώτοι παλμοί λέιζερ παρήχθησαν τον Μάιο του 2017 και η εγκατάσταση ξεκίνησε τη λειτουργία του χρήστη τον Σεπτέμβριο του 2017. Το διεθνές έργο με δώδεκα συμμετέχουσες χώρες· εννέα μέτοχοι κατά τη στιγμή της θέσης σε λειτουργία(Δανία, Γαλλία, Γερμανία, Ουγγαρία, Πολωνία, Ρωσία, Σλοβακία, Σουηδία και Ελβετία), ενώ αργότερα προστέθηκαν τρεις άλλοι εταίροι (Ιταλία, Ισπανία και Ηνωμένο Βασίλειο), βρίσκονται στα γερμανικά ομοσπονδιακά κράτη του Αμβούργου και του Σλέσβιχ-Χολστάιν. Ένα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων δημιουργεί ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υψηλής έντασης επιταχύνοντας τα ηλεκτρόνια σε σχετικιστικές ταχύτητες και κατευθύνοντάς τα μέσω ειδικών μαγνητικών δομών. Το ευρωπαϊκό XFEL είναι κατασκευασμένο έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να παράγουν φως ακτίνων Χ σε συγχρονισμό, με αποτέλεσμα παλμούς ακτίνων Χ υψηλής έντασης με ιδιότητες φωτός λέιζερ και σε εντάσεις πολύ πιο φωτεινές από αυτές που παράγονται από συμβατικές πηγές φωτός σύγχροτρον. 
Τοποθεσία
Η σήραγγα μήκους 3,4 χιλιομέτρων για το ευρωπαϊκό XFEL που φιλοξενεί τον υπεραγώγιμο γραμμικό επιταχυντή και τις δέσμες φωτονίων εκτείνεται 6 έως 38 μέτρα (20 έως 125 πόδια) υπόγεια από την τοποθεσία του ερευνητικού κέντρου DESY στο Αμβούργο μέχρι την πόλη Schenefeld στο Schleswig-Holstein, όπου βρίσκονται οι πειραματικοί σταθμοί, τα εργαστήρια και τα διοικητικά κτίρια.
Επιταχυντής
Τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται σε ενέργεια έως και 17,5 GeV από έναν γραμμικό επιταχυντή μήκους 2,1 km (1,3 mi) με υπεραγώγιμες κοιλότητες RF. Η χρήση υπεραγώγιμων στοιχείων επιτάχυνσης που αναπτύχθηκαν στο DESY επιτρέπει έως και 27.000 επαναλήψεις ανά δευτερόλεπτο, σημαντικά περισσότερες από ό,τι μπορούν να επιτύχουν άλλα λέιζερ ακτίνων Χ στις ΗΠΑ και την Ιαπωνία. Τα ηλεκτρόνια στη συνέχεια εισάγονται στα μαγνητικά πεδία ειδικών συστοιχιών μαγνητών που ονομάζονται κυματιστές, όπου ακολουθούν καμπύλες τροχιές με αποτέλεσμα την εκπομπή ακτίνων Χ των οποίων το μήκος κύματος είναι στην περιοχή από 0,05 έως 4,7 nm.
Laser ακτίνων Χ
Οι ακτίνες Χ παράγονται από αυτοενισχυμένη αυθόρμητη εκπομπή (SASE), όπου τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με την ακτινοβολία που εκπέμπουν αυτά ή οι γείτονές τους. Δεδομένου ότι δεν είναι δυνατό να κατασκευαστούν κάτοπτρα για να αντανακλούν τις ακτίνες Χ για πολλαπλές διελεύσεις μέσω του μέσου κέρδους της δέσμης ηλεκτρονίων, όπως συμβαίνει με τα λέιζερ φωτός, οι ακτίνες Χ παράγονται σε ένα μόνο πέρασμα μέσω της δέσμης. Το αποτέλεσμα είναι η αυθόρμητη εκπομπή φωτονίων ακτίνων Χ που είναι συνεκτικά (σε φάση) όπως το φως λέιζερ, σε αντίθεση με τις ακτίνες Χ που εκπέμπονται από συνηθισμένες πηγές όπως οι μηχανές ακτίνων Χ, οι οποίες είναι ασυνάρτητες. Η μέγιστη λαμπρότητα του Ευρωπαϊκού XFEL είναι δισεκατομμύρια φορές υψηλότερη από αυτή των συμβατικών πηγών φωτός ακτίνων Χ, ενώ η μέση λαμπρότητα είναι 10.000 φορές υψηλότερη.[8] Η υψηλότερη ενέργεια ηλεκτρονίων επιτρέπει την παραγωγή μικρότερων μηκών κύματος.[9] Η διάρκεια των παλμών φωτός μπορεί να είναι μικρότερη από 100 femtoseconds.[8]
Όργανα
Υπάρχουν επτά όργανα στο European XFEL, που διευθύνονται από επιστήμονες από όλο τον κόσμο.
Πειράματα ακτίνων Χ Femtosecond (FXE)
Μεμονωμένα Σωματίδια, Συστάδες και Βιομόρια & Σειριακή Κρυσταλλογραφία Femtosecond (SPB/SFX)
Μαλακή θύρα ακτίνων Χ (SXP)
Φασματοσκοπία και Συνεκτική Σκέδαση (SCS)
Το SCS είναι το μαλακό όργανο φασματοσκοπίας και σκέδασης ακτίνων Χ του Ευρωπαϊκού XFEL. Το επιστημονικό ενδιαφέρον του SCS εστιάζεται στην εξερεύνηση παροδικών φαινομένων που προκαλούνται από το φως σε κβαντικά υλικά καθώς και σε μόρια. Η γραμμή δέσμης φιλοξενεί ένα μαλακό μονοχρωματικό πλέγμα ακτίνων Χ για μονοχρωματικές λειτουργίες.[10][11]
Το όργανο είναι εξοπλισμένο με τρεις κύριους τερματικούς σταθμούς που μπορούν να συνδεθούν με διαφορετικούς πειραματικούς ανιχνευτές:
Χημικός θάλαμος (CHEM) εξοπλισμένος με συσκευή εκτόξευσης υγρού για τη μελέτη αραιωμένων δειγμάτων, μορίων και χημικών ουσιών.
Σταθερός στόχος μπροστινής σκέδασης (FFT): ένας θάλαμος στερεών δειγμάτων εξοπλισμένος με ηλεκτρομαγνήτη, βελτιστοποιημένος για φασματοσκοπίες μετάδοσης, σκέδαση ακτίνων Χ μικρής γωνίας (SAXS), απεικόνιση συνεκτικής περίθλασης (CDI) και φασματοσκοπία συσχέτισης φωτονίων ακτίνων Χ (XPCS) 
Θάλαμος περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) για στερεά δείγματα εξοπλισμένος με περιθλασίμετρο έξι βαθμών ελευθερίας εν κενώ.
Οι θάλαμοι CHEM και XRD μπορούν να συνδυαστούν με ένα υψηλής ανάλυσης συντονισμό ανελαστικό φασματόμετρο σκέδασης ακτίνων Χ για την εκτέλεση πειραμάτων RIXS με αντλία και ανίχνευση με πολύ υψηλή ενέργεια και χρονική ανάλυση.
Οι θάλαμοι FFT και CHEM μπορούν και οι δύο να συζευχθούν με έναν αισθητήρα DEPMOS διασποράς προς τα εμπρός με ανιχνευτή συμπίεσης σήματος (DSSC).[12][13][11]Το SCS προσφέρει μια ποικιλία διαφορετικών οπτικών πηγών που θα χρησιμοποιηθούν ως αντλία για την πρόκληση μεταβατικών καταστάσεων ή φωτοενεργοποιημένων αντιδράσεων στα δείγματα. Όλοι οι τερματικοί σταθμοί είναι εξοπλισμένοι με μια οπτική σύζευξη λέιζερ που επιτρέπει τη χωρική και χρονική επικάλυψη των ακτίνων Χ και των οπτικών παλμών λέιζερ στο σημείο αλληλεπίδρασης.
Μικρά Κβαντικά Συστήματα (SQS)
Το όργανο SQS έχει αναπτυχθεί για τη διερεύνηση θεμελιωδών διεργασιών αλληλεπίδρασης φωτός-ύλης στην ακτινοβολία μήκους κύματος μαλακών ακτίνων Χ. Τα τυπικά αντικείμενα της έρευνας είναι στην περιοχή από μεμονωμένα άτομα έως μεγάλα βιομόρια, και τυπικές μέθοδοι είναι ποικίλες φασματοσκοπικές τεχνικές. Το όργανο SQS παρέχει τρεις πειραματικούς σταθμούς:
Ατομικά Κβαντικά Συστήματα (AQS) για άτομα και μικρά μόρια
Κβαντικά Συστήματα Νανο-μεγέθους (NQS) για σμήνη και νανοσωματίδια
Μικροσκόπιο αντίδρασης (SQS-REMI) που επιτρέπει τον πλήρη χαρακτηρισμό της διαδικασίας ιονισμού και κατακερματισμού αναλύοντας όλα τα προϊόντα που δημιουργούνται στην αλληλεπίδραση του στόχου με τους παλμούς FEL
Εύρος ενέργειας φωτονίων μεταξύ 260 eV και 3000 eV (4,8 nm έως 0,4 nm). Οι εξαιρετικά σύντομοι παλμοί FEL διάρκειας μικρότερης από 50 fs σε συνδυασμό με ένα συγχρονισμένο οπτικό λέιζερ επιτρέπουν την καταγραφή εξαιρετικά γρήγορης πυρηνικής δυναμικής με πολύ υψηλή ανάλυση.[14]
Απεικόνιση και δυναμική υλικών (MID)
Το πεδίο εφαρμογής του οργάνου MID είναι πειράματα επιστήμης υλικών που χρησιμοποιούν τις πρωτόγνωρες συνεκτικές ιδιότητες των ακτίνων λέιζερ ακτίνων Χ του Ευρωπαϊκού XFEL. Οι επιστημονικές εφαρμογές φτάνουν από τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, τη μελέτη για παράδειγμα σχηματισμού γυαλιού και μαγνητισμού, έως μαλακό και βιολογικό υλικό, όπως κολλοειδή, κύτταρα και ιούς.
Απεικόνιση
Η απεικόνιση καλύπτει ένα ευρύ φάσμα τεχνικών και επιστημονικών πεδίων, από την κλασική απεικόνιση ακτίνων Χ με αντίθεση φάσης έως τη συνεκτική απεικόνιση περίθλασης ακτίνων Χ (CXDI) και με εφαρμογές, π.χ. στην απεικόνιση του στελέχους μέσα σε νανοδομημένα υλικά για τη βιοαπεικόνιση ολόκληρων κυττάρων. Σε πολλές περιπτώσεις ο στόχος είναι να ληφθεί μια τρισδιάστατη αναπαράσταση της δομής που ερευνήθηκε. Με μεθόδους ανάκτησης φάσης είναι δυνατό να περάσει από τα μετρούμενα μοτίβα περίθλασης στον αντίστροφο χώρο σε μια πραγματική απεικόνιση χώρου του αντικειμένου σκέδασης.
Δυναμική
Η σύνθετη δυναμική νανοκλίμακας είναι ένα πανταχού παρόν φαινόμενο θεμελιώδους ενδιαφέροντος στην πρώτη γραμμή της επιστήμης της συμπυκνωμένης ύλης και περιλαμβάνει ένα πλήθος διεργασιών από ιξωδοελαστική ροή ή διασπορά σε υγρά και γυαλιά έως δυναμική πολυμερών, αναδίπλωση πρωτεϊνών, μεταπτώσεις κρυσταλλικής φάσης, εξαιρετικά γρήγορες μεταβάσεις περιστροφής. δυναμική τοίχου τομέα, εναλλαγή μαγνητικού τομέα και πολλά άλλα. Οι εξαιρετικά λαμπρές και εξαιρετικά συνεκτικές δέσμες ακτίνων Χ θα ανοίξουν αόρατες δυνατότητες μελέτης της δυναμικής σε διαταραγμένα συστήματα μέχρι τις κλίμακες ατομικού μήκους, με χρονικές κλίμακες που κυμαίνονται από femtoseconds έως δευτερόλεπτα χρησιμοποιώντας τεχνικές όπως το XPCS.
Ελεγχος
Τα πειράματα στην εγκατάσταση ελέγχονται μέσω του εσωτερικά αναπτυγμένου συστήματος ελέγχου που ονομάζεται Karabo. Είναι ένα κατανεμημένο σύστημα SCADA γραμμένο σε C++ και python.
Ερευνα
Οι σύντομοι παλμοί λέιζερ καθιστούν δυνατή τη μέτρηση χημικών αντιδράσεων που είναι πολύ γρήγορες για να καταγραφούν με άλλες μεθόδους. Το μήκος κύματος του λέιζερ ακτίνων Χ μπορεί να κυμαίνεται από 0,05 έως 4,7 nm, επιτρέποντας μετρήσεις στην κλίμακα ατομικού μήκους.
Αρχικά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μία γραμμή δέσμης φωτονίων με δύο πειραματικούς σταθμούς.[8] Αργότερα θα αναβαθμιστεί σε πέντε γραμμές δέσμης φωτονίων και συνολικά δέκα πειραματικούς σταθμούς.[16]
Οι πειραματικές δέσμες επιτρέπουν τη διεξαγωγή μοναδικών επιστημονικών πειραμάτων που χρησιμοποιούν την υψηλή ένταση, τη συνοχή και τη χρονική δομή της νέας πηγής σε διάφορους κλάδους που καλύπτουν τη φυσική, τη χημεία, την επιστήμη των υλικών, τη βιολογία και τη νανοτεχνολογία.
Ιστορία
Μονάδες επιταχυντή κατά την κατασκευή το 2015
Το Γερμανικό Ομοσπονδιακό Υπουργείο Παιδείας και Έρευνας χορήγησε άδεια για την κατασκευή της εγκατάστασης στις 5 Ιουνίου 2007 με κόστος 850 εκατ. ευρώ, υπό την προϋπόθεση ότι θα έπρεπε να χρηματοδοτηθεί ως ευρωπαϊκό έργο.[18] Η ευρωπαϊκή XFEL GmbH που κατασκεύασε και λειτουργεί την εγκατάσταση ιδρύθηκε το 2009.[19] Η αστική κατασκευή της εγκατάστασης ξεκίνησε στις 8 Ιανουαρίου 2009. Η κατασκευή των σηράγγων ολοκληρώθηκε το καλοκαίρι του 2012,[20] και όλη η υπόγεια κατασκευή ολοκληρώθηκε το επόμενο έτος.[21] Οι πρώτες ακτίνες επιταχύνθηκαν τον Απρίλιο του 2017 και οι πρώτες ακτίνες Χ παρήχθησαν τον Μάιο του 2017.[2][3] Το XFEL εγκαινιάστηκε τον Σεπτέμβριο του 2017.[4] Το συνολικό κόστος για την κατασκευή και τη θέση σε λειτουργία της εγκατάστασης υπολογίζεται από το 2017 σε 1,22 δισεκατομμύρια ευρώ (επίπεδα τιμών του 2005)

https://en.wikipedia.org/wiki/European_XFEL