XFEL - Europejski laser na swobodnych elektronach

   

     XFEL - Europejski laser na swobodnych elektronach
 

Żyjąc w XXI wieku mamy okazję korzytać z wielu udogodnień, które jeszcze 100 lat wcześniej nawet nikomu się nie śniły. Aby móc projektować i wymyślać kolejne wynalazki ważne jest coraz lepsze rozumienie otaczającego nas świata - tego jak jest zbudowany i jakim procesom podlega. Właśnie po to buduje się coraz bardziej zaawansowane układy pozwalające go badać.

Jednym z nich jest właśnie budowany w Hamburgu XFEL - laser na swobodnych elektronach.

 

WPROWADZENIE

Zacznijmy od lasera, który kojarzy się ze źródłem światła dużej mocy. Działa dzięki wymuszonej emisji promieniowania (czasem widzialnego), przez dostarczenie do niego energii. Ma pewne charakterystyczne, unikalne właściwości. Fotony poruszają się prawie idealnie równolegle, mają identyczną energię i często taką samą polaryzację. W ten sposób można uzyskać bardzo dużą intensywność w wybranym wąskim zakresie widma promieniowania elektromagnetycznego.

W klasycznych laserach światło jest wytwarzane w tzw. ośrodku czynnym, którym może być gaz, ciało stałe, bądź ciecz. Energię dostarcza się do niego oświetlając go, bądź przepuszczając przez niego prąd. W ten sposób wytwarza on promieniowanie o charaketerystycznej dla danego ośrodka częstotliwości.

Teraz czas na kilka słów o promieniowaniu synchrotronowym. Gdy naładowana elektrycznie cząstka zmienia kierunek, w którym się porusza, jest emitowane promieniowanie elektromagentyczne. Jego energia i intensywność zależy od ładunku i prędkości poruszajacej się cząstki, oraz od tego jak bardzo zmienia się kierunek jej lotu. Gdy mamy wiele cząstek rozpędzone do takiej samej energii, i zmieniamy tor ich lotu w identyczny sposób, jak ma to miejsce synchrotronie, możemy uzyskać wiązki promieniowania o podobnych cechach, jak światło lasera: spójne i monoenergetyczne. W laserze na swobodnych elektronach wykorzystuje się właśnie fakt emisji promieniowania przy zmianie toru lotu naładowanej cząstki. Natomiast, w odróżnieniu od synchrotronu, to urządzenie jest budowane specjalnie by takie promieniowanie wytwarzać. Dzięki czemu możemy uzyskać promieniowanie o większej intensywności i lepszej spójności, niż w przypadku akceleratora kołowego, jakim jest synchrotron.

BUDOWA

XFEL zostanie zmontowany w długim na 3.4 km tunelu i można go podzielić na kilka sekcji, z których każda ma inne przeznaczenie.

Pierwsze 400 metrów części akceleracyjnej zajmuje działo elektronowe, czyli źródło naładowanych cząstek, które będą potem przyśpieszane. Następnie w tunelu umieszczona będzie część akceleracyjna, w której na długości 1700 metrów znajdować się będzie 101 modułów akceleratora. Za nią znajdzie się hala undulatorów i układ rozgałęziający wiązkę promieniowania na 5 stanowisk eksperymentalnych.

Sercem projektu XFEL jest układ przyśpieszający elektrony. Każdy moduł akceleratora zawiera 8 nadprzewodzących wnęk rezonansowych, magnes skupiający wiązkę oraz szereg rur służących do doprowadzania i odprowadzania ciekłego helu. Pozwala on utrzymać wnęki rezonansowe, wykonane z niobu, w stanie nadprzewodnictwa.

Elektrony przelatując przez wnękę podlegają zjawisku podobnemu do surfera płynącego na fali. Przyśpiesza on dzięki temu, że za nim woda piętrzy się wysoko i pcha go w kierunku brzegu. Za elektronami piętrzą się fale promieniowania elektromagnetycznego, które działa na te naładowane cząstki podobnie jak fala na surfera. Jeśli kolejne fale ciągle pchają dany elektron, potrafi on nabrać sporej energii.

Następnie taki elektron wlatuje do hali undulatorów. Undulator to układ naprzemiennie ułożonych magnesów, z których każdy nieznacznie zmienia tor lotu elektronu (raz w jedną, raz w drugą stronę, albo po spirali). W trakcie takiej zmiany toru jest wytwarzane promieniowanie synchrotronowe. Można powiedzieć że zamieniamy energię kinetyczną elektronu na fotony promieniowania. Tak wytworzoną wiązkę promieniowania możemy odbić w kierunku odpowiedniego stanowiska badawczego.

BADANIA

W końcu dochodzimy do najważniejszego pytania. Do czego może się przydać taka wiązka promieniowania ?

Jednym z tematów, które będzie można lepiej zbadać dzięki laserowi XFEL, jest nasze rozumienie reakcji chemicznych. Dotychczas, jeśli porównalibyśmy je do piłki nożnej, wyglądałoby to następująco: prezenter przedstawia nam skład obu drużyn, a następnie wynik meczu i skład drużyn po meczu. XFEL możemy potraktować jak kamerę, która rejestruje 30 tysięcy klatek na sekundę, i pozwala obserwować poszczególne atomy.

W ten sposób możemy śledzić reakcje chemiczne i procesy biologiczne (np. fotosyntezę). A ich zrozumienie może pomóc w opracowaniu nowych materiałów, czy dopracowaniu procesów technologicznych.

Wśród innych ciekawych zagadnień jest lepsze poznanie molekuł biologicznych, i procesów jakim podlegają, oglądanie nanoświata w 3D, czy badania nad ekstremalnymi stanami materii.

XFEL i IFJ PAN

Przy pracach nad Europejskim Laserem na swobodnych elektronach biorą aktywny udział grupy z Polski, w tym z IFJ PAN. Każda wnęka rezonansowa i każdy gotowy moduł akceleratora będzie wnikliwie i testowany przez pracowników naszego instytutu. Takie testy to szczególnie ważne zagadnienie przy budowie urządzenia na granicy dostępnej nam technologii. Umieszczona w akceleratorze wnęka rezonansowa, której możliwości odbiegają od dopuszczalnych, nie tylko nie przyśpieszy przelatujących elektronów, ale może znacząco je spowolnić. Dlatego trzeba na każdym etapie montażu upewnić się, że poszczególne moduły spełniają kryteria. Nasz zespół będzie pracował w Hamburgu przez trzy lata, aż zostanie przygotowane wszystkie 101 modułów akceleracyjnych lasera XFEL.

opracował: dr inż. Szymon Myalski
materiały pochodzą ze strony:
http://www.xfel.eu/