| European X-ray Free Electron Laser ( XFEL ) | |
|---|---|
| | |
| kansainvälinen titteli | Englanti Eurooppalainen röntgenvapaiden elektronien laser |
| Perustettu | 2017 |
| Sijainti | Hampuri , Schönefeld |
| Laillinen osoite | 22869, Holzkoppel 4, Schönefeld , Saksa |
| Verkkosivusto | xfel.eu |
| Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa | |
Eurooppalainen röntgenvapaiden elektronien laser ( European XFEL ) on kansainvälinen projekti maailman suurimman vapaiden elektronien laserin luomiseksi [ 1 ] . Hankkeen on kehittänyt DESY - tutkimuskeskus, ja se esiteltiin vuonna 2002 [2] . Laserin rakentamiseen ja käyttöönottoon käytettiin 1,22 miljardia euroa. Tästä määrästä 58 % tuli Saksalta ja 27 % Venäjältä [3] [1] .
3,4 kilometriä pitkä laserlaitos sijaitsee Saksassa 6-38 metrin syvyydessä maan alla ja ulottuu Hampurissa sijaitsevasta DESY-laboratoriosta Schönefeldin laitamille , jonne rakennetaan hallintorakennuksia, koeasemia ja laboratorioita . 15 hehtaaria .
Laser tuottaa korkean intensiteetin synkrotronisäteilyä , jota emittoivat elektronit, jotka on kiihdytetty relativistisiin nopeuksiin. XFEL on suunniteltu siten, että elektronit tuottavat röntgensäteitä synkronoidulla tavalla , mikä antaa röntgenpulsseille lasersäteilyn ominaisuudet ja voimakkuuden, joka ylittää huomattavasti perinteisissä ns. kolmannen sukupolven SR-lähteissä saavutettavan intensiteetin. Laserista tulee maailman tehokkain röntgenlähde [4] .
Suprajohtavan lineaarikiihdytin , jonka energia on enintään 17,5 GeV , elektronit putoavat aaltoputkien magneettikenttiin , missä ne liikkuvat kaarevia ( sinimuotoisia ) lentoratoja pitkin säteileen röntgenalueella. Suprajohtavuuden aikaansaamiseksi kiihdyttimen elementit jäähdytetään nestemäisellä heliumilla lämpötilaan miinus 271 °C [3] .
Röntgensäteet syntyvät itsestään vahvistuvan spontaanin emission avulla, kun elektronit ovat vuorovaikutuksessa lähellä olevien elektronien tuottaman säteilyn kanssa. Aaltopakettien spontaani emissio mahdollistaa jopa 30 000 pulssin saamisen sekunnissa, ja säteilyn kirkkaus on suuruusluokkaa suurempi kuin olemassa olevilla analogeilla.
Pulssien kesto ei ylitä 100 femtosekuntia , mikä mahdollistaa kemiallisten reaktioiden tutkimisen, jotka ovat liian nopeita muilla menetelmillä tutkittavaksi. Röntgenlaservalon aallonpituus vaihtelee välillä 0,05-6 nm , mikä mahdollistaa mittaukset atomipituusasteikolla.
Ensinnäkin on tarkoitus luoda 3 fotonisäteen ulostulokanavaa 6 koeasemalla , ja tulevaisuudessa on tarkoitus lisätä näitä lukuja 5 kanavaan ja 10 asemaan. Laseria käytetään fysiikan, kemian, materiaalitieteen, biologian ja nanoteknologian kokeisiin.
Tutkimus tapahtuu maanalaisissa laboratorioissa, jotka sijaitsevat kolmen tunnelin päässä. Vuodesta 2021 lähtien on kuusi laboratoriota (toisin sanoen instrumentteja ), kaksi laboratoriota kutakin tunnelia kohti:
Femtosekundin röntgenkokeita (FXE) Hiukkaset, klusterit, biomolekyylit; femtosekuntikristallografia (yksittäiset hiukkaset, klusterit ja biomolekyylit & Femtosecond Crystallography, SPB/SFX) Spektroskopia ja koherenttisironta (SCS) Pienet kvanttijärjestelmät (Small Quantum Systems, SQS)Kokeellinen laboratorio tutkii pehmeiden röntgensäteiden vuorovaikutusta aineen kanssa. Tyypillisiä tutkimuskohteita ovat yksittäisistä atomeista suuriin molekyyleihin. Tutkimusmenetelmät - spektroskopian eri variantit. Laboratoriossa käytetään kolmea asemaa:
Rakentamiseen osallistui 12 maata: Tanska, Ranska, Saksa, Unkari, Italia, Puola, Venäjä, Slovakia, Espanja, Ruotsi, Sveitsi ja Iso-Britannia. Rakennustyöt alkoivat vuonna 2009. Viralliset avajaiset pidettiin vuonna 2017 [5] [3] .
9.1.2009 valmistelutyöt rakennustyömaalla.
23. heinäkuuta 2009 Venäjä liittyy projektiin.
28. syyskuuta 2009 perustettiin hankkeen rakentamista ja toimintaa järjestämään voittoa tavoittelematon organisaatio European XFEL GmbH , jonka pääomistaja oli alun perin DESY [3] .
4. helmikuuta 2010 Ranska vahvistaa osallistumisensa hankkeeseen.
7. heinäkuuta 2010 - 6. elokuuta 2011 ensimmäisen tunnelin laskeminen.
8. syyskuuta 2010 Puola liittyy projektiin.
12. tammikuuta 2011 - 7. kesäkuuta 2012 toisen tunnelin laskeminen.
7. lokakuuta 2011 Espanja liittyy projektiin.
17. heinäkuuta 2012 Venäjältä toimitettiin 125 magneettia, jotka on valmistanut Novosibirsk INP SB RAS [6] .
6. kesäkuuta 2013 kaikki maanalaiset työt saatiin päätökseen.
30.9.2013 elektroniinjektorin asennus.
18. joulukuuta 2014 Iso-Britannia liittyy projektiin.
Ensimmäiset tieteelliset laitteet asennettiin 25. elokuuta 2015.
1. maaliskuuta 2016 koottiin ensimmäinen aaltolaite.
26.9.2016 suprajohtavien kiihdytinsegmenttien asennus tunneliin.
6. lokakuuta 2016 on laitoksen virallinen käyttöönottopäivä [7] .
1. syyskuuta 2017 eurooppalainen X-ray Free Electron Laser lanseerattiin virallisesti [8] .
Proteiinien, solujen ja niiden kalvojen tutkimus sekä staattisesti että dynaamisesti muutosprosessissa.
Tällaisten materiaalien rakenteen tutkimiseksi on välttämätöntä, että ne ovat kiteisessä muodossa. Biologisten molekyylien kiteyttäminen ei ole helppo tehtävä, ja pyrkimykset saada riittävän kokoisia ja laadukkaita kiteitä synkrotronitutkimukseen ovat kestäneet vuosia, ellei vuosikymmeniä, kun taas myöhemmät vaiheet ovat paljon nopeampia.
XFEL on jo osoittanut laadullista parannusta synkrotroneihin verrattuna kyvyssään saada tietoa mikrometriä pienempien kiteiden rakenteesta. Esimerkiksi aiemmin tuntematon proteiinirakenne (kysteiiniproteaasikatepsiini B) luettiin subnanometrin tarkkuudella. Se oli ensimmäinen biologinen rakenne, joka tunnistettiin vapaiden elektronien laserilla. Tällä proteiinilla on tärkeä rooli unihäiriön, Afrikassa laajalle levinneen ja kymmeniä tuhansia kuolemia vuosittain aiheuttavan taudin, patogeneesissä. Uutta tietoa voidaan käyttää taudin aiheuttavia loisia (tsetse-kärpäsiä) vastaan.
Lisäksi ultralyhyiden XFEL-pulssien ansiosta oli mahdollista vangita biologisia prosesseja liikkuvissa molekyyleissä ja saada selkeitä kuvia jopa erittäin nopeista kaiuttimista.
Muutama vuosi sitten havaittiin, että lyhyet ympyräpolarisoidut laserpulssit, jotka voivat olla oikea- tai vasenkätisiä, voivat muuttaa magneettista napaisuutta kiintolevylevyillä nopeammin kuin perinteisellä menetelmällä.
Eurooppalainen XFEL on varustettu erityisellä laitteella, joka tuottaa ympyräpolarisoituja pulsseja ja mahdollistaa tämänsuuntaisen tutkimuksen.
Laserin ns. käynnistysaika ajoitetaan vuosiksi eteenpäin. Eri maiden tutkijat lähettävät European Laserin johdolle hakemuksia saadakseen pääsyä laitteisiin, jotta he voivat tutkia niitä fysiikan, kemian, materiaalitieteen, lääketieteen, biologian ja muiden tieteiden alalla.