Европейский XFEL
53 ° 35'20 "N 9 ° 49'44" E / 53,589 ° N 9,829 ° E
 | |
| Тип компании | Фундаментальные исследования |
|---|---|
| Основан | 23 сентября 2009 г [1] |
| Штаб-квартира | Шенефельд , Германия |
| Веб-сайт | www |
Европейская рентгеновская лазерная установка на свободных электронах ( European XFEL ) — это рентгеновская исследовательская лазерная установка, введенная в эксплуатацию в 2017 году. Первые лазерные импульсы были произведены в мае 2017 года, а в сентябре 2017 года установка начала пользовательскую эксплуатацию. Международный проект с двенадцатью страны-участницы; девять акционеров на момент ввода в эксплуатацию (Дания, Франция, Германия, Венгрия, Польша, Россия, Словакия, Швеция и Швейцария), к которым позже присоединились еще три партнера (Италия, Испания и Великобритания), расположены в федеральных землях Германии. Гамбурга земель и Шлезвиг-Гольштейн . Лазер на свободных электронах высокой интенсивности генерирует электромагнитное излучение , ускоряя электроны до релятивистских скоростей и направляя их через специальные магнитные структуры. Европейский XFEL сконструирован таким образом, что электроны производят рентгеновский свет синхронно, в результате чего образуются рентгеновские импульсы высокой интенсивности со свойствами лазерного света и с интенсивностью, намного более яркой, чем те, которые производятся традиционными устройствами. синхротронные источники света. [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Расположение
[ редактировать ]Туннель длиной 3,4 км (2,1 мили) для европейского XFEL, в котором размещен сверхпроводящий линейный ускоритель и линии фотонных пучков, проходит на глубине от 6 до 38 м (от 20 до 125 футов) под землей от территории исследовательского центра DESY в Гамбурге до города Шенефельд в Земля Шлезвиг-Гольштейн, где расположены экспериментальные станции, лаборатории и административные здания. [8]
Ускоритель
[ редактировать ]Электроны ускоряются до энергии до 17,5 ГэВ с помощью линейного ускорителя длиной 2,1 км (1,3 мили) со сверхпроводящими ВЧ-резонаторами . [8] Использование сверхпроводящих ускорительных элементов, разработанных в DESY, позволяет достигать 27 000 повторений в секунду, что значительно больше, чем могут достичь другие рентгеновские лазеры в США и Японии. [9] Затем электроны попадают в магнитные поля специальных массивов магнитов, называемых ондуляторами , где они следуют по изогнутым траекториям, что приводит к испусканию рентгеновских лучей, длина волны которых находится в диапазоне от 0,05 до 4,7 нм . [8]
рентгеновский лазер
[ редактировать ]Рентгеновские лучи генерируются методом самоусиливающейся спонтанной эмиссии (SASE), когда электроны взаимодействуют с излучением, которое излучают они или их соседи. Поскольку невозможно создать зеркала для отражения рентгеновских лучей при многократном проходе через среду усиления электронного луча, как в случае с легкими лазерами, рентгеновские лучи генерируются за один проход через луч. Результатом является спонтанное излучение рентгеновских фотонов, которые когерентны (по фазе), как лазерный свет, в отличие от рентгеновских лучей, излучаемых обычными источниками, такими как рентгеновские аппараты , которые являются некогерентными. Пиковая яркость европейского XFEL в миллиарды раз выше, чем у обычных источников рентгеновского света, а средняя яркость в 10 000 раз выше. [8] Более высокая энергия электронов позволяет производить более короткие волны. [9] Длительность световых импульсов может составлять менее 100 фемтосекунд . [8]
Инструменты
[ редактировать ]В европейском XFEL имеется семь приборов, которыми управляют ученые со всего мира.
Фемтосекундные рентгеновские эксперименты (FXE)
[ редактировать ]Одиночные частицы, кластеры и биомолекулы и последовательная фемтосекундная кристаллография (SPB/SFX)
[ редактировать ]Порт мягкого рентгеновского излучения (SXP)
[ редактировать ]Спектроскопия и когерентное рассеяние (СКР)
[ редактировать ]SCS — это прибор для спектроскопии и рассеяния мягкого рентгеновского излучения европейского XFEL. Научный интерес SCS сосредоточен на исследовании светоиндуцированных переходных явлений в квантовых материалах, а также в молекулах. На линии луча установлен монохроматор с решеткой мягкого рентгеновского излучения для монохроматических операций. [10] [11]
Прибор оснащен тремя основными конечными станциями, которые можно подключать к различным экспериментальным зондам: [11]
- Химическая камера (ХИМ), оснащенная жидкостным аппаратом для исследования разбавленных образцов, молекул и химических веществ. [11]
- Фиксированная мишень прямого рассеяния (FFT): камера для твердых образцов, оснащенная электромагнитом , оптимизированная для трансмиссионной спектроскопии , малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) , когерентной дифракционной визуализации (CDI) и рентгеновской фотонной корреляционной спектроскопии (XPCS). . [12] [11]
- Камера дифракции рентгеновских лучей (XRD) для твердых образцов, оснащенная вакуумным дифрактометром с шестью степенями свободы. [11]
Камеры CHEM и XRD могут быть объединены со спектрометром резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей высокого разрешения для проведения экспериментов RIXS с накачкой и зондированием с очень высоким энергетическим и временным разрешением. [11]
Камеры FFT и CHEM могут быть соединены с датчиком DEPMOS прямого рассеяния с детектором сжатия сигнала (DSSC). [12] [13] [11]
SCS предлагает множество различных оптических источников, которые можно использовать в качестве насоса для создания переходных состояний или фотоактивируемых реакций в образцах. Все конечные станции оснащены оптической лазерной связью, которая обеспечивает пространственное и временное перекрытие рентгеновских лучей и оптических лазерных импульсов в точке взаимодействия. [11]
Малые квантовые системы (SQS)
[ редактировать ]Прибор SQS разработан для исследования фундаментальных процессов взаимодействия света и вещества в мягком рентгеновском излучении. Типичные объекты исследования находятся в диапазоне от изолированных атомов до крупных биомолекул, а типичными методами являются разнообразные спектроскопические методы. Прибор SQS предоставляет три экспериментальные станции: [14]
- Атомноподобные квантовые системы (AQS) для атомов и малых молекул
- Наноразмерные квантовые системы (НКС) для кластеров и наночастиц
- Реакционный микроскоп (SQS-REMI), позволяющий полностью охарактеризовать процесс ионизации и фрагментации путем анализа всех продуктов, образующихся при взаимодействии мишени с ЛСЭ. импульсами
Диапазон энергии фотонов от 260 до 3000 эВ (от 4,8 до 0,4 нм). Ультракороткие импульсы ЛСЭ длительностью менее 50 фс в сочетании с синхронизированным оптическим лазером позволяют регистрировать сверхбыструю ядерную динамику с очень высоким разрешением. [14]
Визуализация и динамика материалов (MID)
[ редактировать ]Областью применения прибора MID являются эксперименты в области материаловедения с использованием беспрецедентных когерентных свойств рентгеновских лазерных лучей европейского XFEL. Научные применения простираются от физики конденсированных сред, изучая, например, стеклообразование и магнетизм, до мягких и биологических материалов, таких как коллоиды, клетки и вирусы.
- Визуализация
Визуализация охватывает широкий спектр методов и научных областей, от классической фазово-контрастной рентгеновской визуализации до когерентной рентгеновской дифракционной визуализации ( CXDI ), а также приложений, например, при визуализации деформации внутри наноструктурированных материалов до биоизображения целых клеток. Во многих случаях целью является получение трехмерного представления исследуемой структуры. Методами фазового восстановления можно перейти от измеренных дифракционных картин в обратном пространстве к визуализации рассеивающего объекта в реальном пространстве.
- Динамика
Сложная наноразмерная динамика представляет собой повсеместное явление, представляющее фундаментальный интерес на переднем крае науки о конденсированных средах и включает в себя множество процессов от вязкоупругого течения или диссипации в жидкостях и стеклах до динамики полимеров, сворачивания белков, кристаллических фазовых переходов, сверхбыстрых спиновых переходов и т. д. динамика доменных стенок, переключение магнитных доменов и многое другое. Чрезвычайно яркие и высококогерентные рентгеновские лучи откроют невиданные возможности для изучения динамики неупорядоченных систем вплоть до атомных масштабов с временными масштабами от фемтосекунд до секунд с использованием таких методов, как XPCS .
Контроль
[ редактировать ]Управление экспериментами на установке осуществляется с помощью системы управления собственной разработки « Карабо» . [15] Это распределенная система SCADA, написанная на C++ и Python .
Исследовать
[ редактировать ]Короткие лазерные импульсы позволяют измерять химические реакции, которые слишком быстры, чтобы их можно было уловить другими методами. Длина волны рентгеновского лазера может варьироваться от 0,05 до 4,7 нм, что позволяет проводить измерения на уровне атомных длин. [8]
Первоначально фотонов с двумя экспериментальными станциями. можно использовать один канал [8] Позже это будет модернизировано до пяти линий фотонных пучков и десяти экспериментальных станций. [16]
Экспериментальные каналы позволяют проводить уникальные научные эксперименты с использованием высокой интенсивности, когерентности и временной структуры нового источника в различных дисциплинах, охватывающих физику , химию , материаловедение , биологию и нанотехнологии . [17]
История
[ редактировать ]
Федеральное министерство образования и исследований Германии 5 июня 2007 года выдало разрешение на строительство объекта стоимостью 850 миллионов евро при условии, что он будет финансироваться как европейский проект. [18] Компания European XFEL GmbH , построившая и эксплуатирующая объект, была основана в 2009 году. [19] Гражданское строительство объекта началось 8 января 2009 года. Строительство тоннелей завершилось летом 2012 года. [20] и все подземное строительство было завершено в следующем году. [21] Первые лучи были ускорены в апреле 2017 года, а первые рентгеновские лучи были получены в мае 2017 года. [2] [3] XFEL был открыт в сентябре 2017 года. [4] Общая стоимость строительства и ввода объекта в эксплуатацию приведена по состоянию на 2017 год. [update] оценивается в 1,22 миллиарда евро (уровень цен 2005 года). [8]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «HRB 111165: Основана компания European XFEL GmbH!» . 13 октября 2009 года . Проверено 17 июля 2018 г.
- ^ Jump up to: а б «Самый большой в мире рентгеновский лазер впервые излучает свет» . 4 мая 2017 г. Проверено 4 мая 2017 г.
- ^ Jump up to: а б «Крупнейший рентгеновский лазер в мире производит первый лазерный свет» (на немецком языке). 4 мая 2017 г. Проверено 4 мая 2017 г.
- ^ Jump up to: а б «Открытие международного рентгеновского лазера European XFEL» . 1 сентября 2017 года . Проверено 2 сентября 2017 г.
- ^ «Европейский XFEL – Организация – Компания – Акционеры» . www.xfel.eu. Проверено 6 декабря 2018 г.
- ^ Массимо Альтарелли, изд. (2014). Годовой отчет за 2014 год (PDF) . Европейская рентгеновская лазерная установка на свободных электронах, Гмбх. п. 10.
- ^ «Европейская проектная группа DESY XFEL» . Проверено 20 декабря 2007 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час «Факты и цифры о европейских XFEL» . Проверено 2 сентября 2017 г.
- ^ Jump up to: а б «Европейский XFEL в сравнении» . Архивировано из оригинала 9 мая 2017 года . Проверено 4 мая 2017 г.
- ^ Герасимова Н.; Ла Чивита, Д.; Самойлова Л.; Ваннони, М.; Вильянуэва, Р.; Хикин, Д.; Карли, Р.; Горт, Р.; Ван Куикен, BE; Мидема, П.; Ле Гиярдер, Л.; Меркадье, Л.; Меркьюри, Г.; Шлаппа, Дж.; Тейхман, М. (1 сентября 2022 г.). «Монохроматор мягкого рентгеновского излучения на канале SASE3 европейского XFEL: от проектирования до эксплуатации» . Журнал синхротронного излучения . 29 (5): 1299–1308. дои : 10.1107/S1600577522007627 . ISSN 1600-5775 . ПМЦ 9455211 . ПМИД 36073890 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час «Научный прибор СКС» . www.xfel.eu. Проверено 7 июля 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Ле Гюядер, Лоик; Эшенлор, Андреа; Бей, Мартин; Шлоттер, Уильям; Деринг, Флориан; Каринан, Камилла; Хикин, Дэвид; Агарвал, Наман; Боглин, Кристина; Бовензипен, Уве; Бак, Йенс; Карли, Роберт; Кастольди, Андреа; Д'Элия, Алессандро; Делиц, Ян-Торбен (20 февраля 2023 г.). «Мягкая рентгеновская спектроскопия с переходным поглощением и ограничением фотонного дробового шума на Европейском XFEL» . Журнал синхротронного излучения . 30 (2): 284–300. дои : 10.1107/s1600577523000619 . ISSN 1600-5775 . ПМЦ 10000791 . ПМИД 36891842 .
- ^ «ДССК» . photon-science.desy.de . Проверено 7 июля 2023 г.
- ^ Jump up to: а б «Научный прибор СКС» . www.xfel.eu.
- ^ Хауф, Штеффен; и др. (2019). «Распределенная система управления Карабо» . Журнал синхротронного излучения . 26 (5): 1448–1461. дои : 10.1107/S1600577519006696 . ПМИД 31490132 . S2CID 201846558 .
- ^ «Как это работает» . Проверено 4 сентября 2017 г.
- ^ "Наука" . Проверено 4 сентября 2017 г.
- ^ «Запуск европейского XFEL» .
- ^ Европейские новости XFEL: «HRB 111165: Основана компания European XFEL GmbH!»
- ^ Европейские новости XFEL: «Строительство туннеля завершено»
- ^ Европейские новости XFEL: «Европейское подземное строительство XFEL завершено»
Внешние ссылки
[ редактировать ]
| Международный | |
|---|---|
| Географический | |
