Pierwsze elektrony w European XFEL

Otrzymanie pierwszej wiązki elektronów w europejskim laserze European XFEL jest milowym krokiem w budowie międzynarodowego centrum badawczego. Polska jest pełnoprawnym udziałowcem konsorcjum European XFEL (Eu-XFEL) Accelerator Consortium od 2010 r. Naszym dotychczasowym wkładem do największego europejskiego lasera są elementy liniowego akceleratora elektronów oraz procedury i instrumenty ich testowania. W najbliższych miesiącach staniemy się też producentem pewnych komponentów układów sterowania wchodzących w skład stanowisk badawczych. Te komponenty są przedmiotem kolejnego zlecenia dla NCBJ od Eu-XFEL, które buduje unikatowe urządzenie o wartości 1,2 mln euro, są dowodem na wysoką jakość prac polskiej nauki i przemysłu.

Uruchomienie iniektora elektronów – pierwszego z modułów przyspieszających europejskiego lasera na swobodnych elektronach (European XFEL) ogłoszono 21 grudnia br. Budowany od 2013 r. na terenie ośrodka badawczego DESY w Hamburgu, iniektor elektronów o długości 45 metrów, wyposażony w działo elektronowe wygenerował po raz pierwszy wiązkę elektronów rozpędzonych do prędkości bliskiej prędkości światła. Wiązka w ramach kolejnych etapów uruchamiania akceleratora będzie przyspieszana w nadprzewodzącym liniowym akceleratorze o długości ok. 2 km do energii do 20 gigaelektronowoltów. Przechodząc przez zespół bardzo precyzyjnie ustawionych magnesów, generujących pole o cyklicznie zmieniającym się kierunku (tzw undulatorów), wysokoenergetyczne elektrony będą generować błyski spójnego, twardego promieniowania rentgenowskiego o bardzo dużych jasnościach i unikalnych własnościach dających szanse na gwałtowny, jakościowy rozwój metod badania struktury materii. Powstające urządzenie otworzy przed nauką drogę do badań, które potencjalnie mogą zmienić oblicze medycyny, technologii uzyskiwania i magazynowania energii, inżynierii materiałowej i wielu innych dziedzin.

Konstrukcja iniektora bazuje na konstrukcji iniektora prototypowego lasera FLASH na swobodnych elektronach eksploatowanego w DESY już od 2005 r. Intensywny błysk promieniowania ultrafioletowego wybija kilkanaście miliardów elektronów z powierzchni foto-katody wykonanej z tellurku cezu. Promieniowanie o częstotliwości mikrofalowej grupuje elektrony w pakiety, w których elektrony są utrzymywane przez silne pola magnetyczne. Elektrony są przyspieszane najpierw przechodząc przez normalnie przewodzące wnęki rezonansowe z miedzi, następnie przez parę modułów nadprzewodzących schłodzonych w nadciekłym helu do –271°C; nadprzewodnictwo umożliwia uzyskanie dużej wydajności procesu. Po przejściu przez moduły nadprzewodzące wiązka elektronów ma parametry niezbędne do produkcji błysków promieniowania ultrafioletowego we FLASHu i rentgenowskiego w XFELu.

DESY – główny udziałowiec i bliski partner projektu European XFEL – jest odpowiedzialny za opracowanie i eksploatację iniektora oraz pozostałych części liniowego akceleratora elektronów. Komponenty dla iniektora dostarczane są przez 17 instytucji, które tworzą konsorcjum Eu-XFEL. Oprócz Niemiec w największy wkład (rzeczowy i pieniężny) w europejski laser na swobodnych elektronach wnoszą: Francja, Polska, Włochy, Rosja, Hiszpania, Szwecja i Szwajcaria.

W najbliższym czasie, gdy instalowane będą kolejne sekcje liniowego akceleratora elektronów, iniektor przejdzie serię rygorystycznych testów. Następnym ważnym krokiem będzie uruchomienie całego akceleratora tj. doprowadzenie wiązki do odległego o ok. 2,1 km ośrodka Osdorfer Born. Oczekuje się, że nastąpi to przed końcem 2016 r., co otworzyłoby drogę do przekazania urządzenia do eksploatacji w roku 2017.

„Uzyskanie pierwszych elektronów z iniektora to kolejny milowy krok na drodze do ukończenia tego ambitnego projektu. Składam gratulacje wszystkim fizykom i inżynierom, który z wielkim zaangażowaniem konstruowali i instalowali komponenty iniektora” – powiedział Prof. Helmut Dosch, naczelny dyrektor DESY. – „Ponieważ zainstalowana i sprawdzona jest też już ponad połowa nadprzewodzących modułów głównego akceleratora, jestem przekonany że europejski laser na swobodnych elektronach zostanie wkrótce przekazany do użytku. ”

Polska, jako pierwszy z ośmiu udziałowców European XFEL, w ramach wkładu własnego, wynoszącego 28,8 mln euro, wykonała już większość powierzonych do tej pory prac. Technicy i naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie opracowali specjalistyczne procedury i oprogramowanie służące do przeprowadzania pomiarów parametrów pracy nadprzewodzących rezonatorów pola wysokiej częstotliwości wchodzących w skład akceleratora elektronów oraz kompletnych modułów akceleratora (wykonano już ponad 60% wszystkich testów na modułach). Grupa kończy również sprawdzanie zakontraktowanej liczby rezonatorów a wcześniej wykonała testy 103 zestawów magnesów nadprzewodzących do ogniskowania i sterowania wiązką elektronową. Wydział Mechaniczno-Energetyczny Politechniki Wrocławskiej, Wrocławski Park Technologiczny, firmy Kriosystem (Wrocław) oraz KATES (Olsztyn) wykonały projekt i sfinalizowały wykonanie linii kriogenicznej do transportu ciekłego helu oraz dwóch pionowych kriostatów do przeprowadzania niezbędnych testów w nadciekłym helu na rezonatorach. NCBJ przygotowało, przetestowało i dostarczyło do wykonawców modułów liniowego akceleratora lasera Eu-XFEL (czyli do DESY, CEA Saclay) oraz do wykonawców rezonatorów nadprzewodzących: 1328 anten usuwających z przyspieszającego pola elektromagnetycznego szkodliwe częstotliwości (tzw. sprzęgacze HOM”), 664 anten diagnostycznych montowanych w rezonatorach nadprzewodzących (Pick-up) oraz 88 absorberów służących eliminacji propagujących się wyższych częstotliwości. Dostarczone komponenty podlegały ścisłym testom pod kątem ich parametrów użytkowych na terenie DESY. Wartość zrealizowanych prac wyniosła ok. 3 000 000 Euro.

Wiązki fotonowe docierające do stanowisk eksperymentalnych wymagają końcowego ukształtowania mającego nadać im m. in. ostateczną, pożądaną strukturę czasową. Wymaga to zainstalowania w liniach optycznych oraz w samych stanowiskach eksperymentalnych dodatkowych, sterowanych automatycznie urządzeń. Również w tym obszarze NCBJ będzie miał swój udział. W bieżącym miesiącu podpisano kolejne porozumienie pomiędzy XFEL i NCBJ na wykonanie stu modułów połączeń układów sterowania dla stanowisk doświadczalnych, które wykorzystają w przyszłości wiązki fotonowe z linii optycznych lasera. Wartość tych prac ma wynieść 741 000 Euro. Będzie to pierwszy polski wkład rzeczowy do tego projektu, który wykracza poza jego część akceleratorową.

„Dzięki naszemu zaangażowaniu Polska będzie współwłaścicielem nie tylko unikatowej infrastruktury badawczej ale również wszelkich odkryć i wyników prac naukowych. Polscy badacze uzyskają w przyszłości szanse pracy na urządzeniu do badań strukturalnych o bezprecedensowej rozdzielczości” – dodaje prof. Krzysztof Kurek, dyrektor NCBJ.

European XFEL został zaliczony przez Europejskie Strategiczne Forum ds. Infrastruktury Badawczej do głównych urządzeń badawczych Europy. Po jego uruchomieniu Europa znajdzie się na czołowym miejscu użytkowników intensywnych źródeł promieniowania rentgenowskiego. Dzięki temu badacze będą mogli obrazować szczegółowo strukturę wirusów (opracowanie przyszłych lekarstw), wnikać w molekularne mechanizmy funkcjonowania komórek, rejestrować trójwymiarowe obrazy obiektów nano-świata, filmować przebieg reakcji chemicznych (np. proces formowania się lub zrywania wiązania chemicznego) a także zgłębiać procesy zachodzące we wnętrzu planet i gwiazd. Urządzenie umożliwi również modyfikacje istniejących materiałów jak i opracowanie zupełnie nowych.

Lasery na swobodnych elektronach (lasery FEL) pozwoliły wykonać w ciągu ostatnich kilku lat kolejny skok na drodze ku jaśniejszym źródłom promieniowania rentgenowskiego. Zasilane liniowymi akceleratorami elektronów lasery takie generują impulsy promieniowania, które charakteryzują się trzema bardzo korzystnymi własnościami:

• Impulsy generowane przez lasery FEL są nadzwyczaj jasne, od 100 milionów do 1 miliard razy jaśniejsze niż promieniowanie synchrotronowe. Wielka ilość światłą emitowane jest w bardzo wąskiej wiązce

• Impulsy generowane przez lasery FEL są nadzwyczaj krótkie, trwają nawet tylko kilka femtosekund. 1 femtosekunda (1 fs) to milionowa część miliardowej części sekundy; przez taki czas światło przebiega dystans krótszy niż jedna setna grubości włosa

• Światło generowane przez lasery jest spójne. Oznacza to, że promieniowanie propagujące się w różnych miejscach na przekroju wiązki fotonowej jest skorelowane w fazie i wzmacnia się wzajemnie. Ta cecha czyni z impulsów generowanych przez lasery FEL narzędzie o wiele bardziej użyteczne dla eksperymentatorów niż konwencjonalne (niespójne) promienie rentgenowskie.