Akcelerator cząstek lasera European XFEL już działa

Międzynarodowy projekt rentgenowskiego lasera European XFEL dotarł do jednego z ostatnich kamieni milowych na drodze do udostępnienia go naukowcom. W ośrodku DESY pomyślnie uruchomiono na całej długości akcelerator cząstek zasilający laser. Wiązka przebyła cały liczący 2,1 km długości tunel nadprzewodzącego liniowego akceleratora elektronów. W kolejnym etapie będzie podnoszona energia przyspieszanych elektronów zanim zostaną one skierowane do sekcji magnesów odchylających; elektrony przechodząc przez nie slalomem będą generować intensywne laserowe promieniowanie rentgenowskie. Pierwsza akcja laserowa jest planowana na maj 2017 roku. Za budowę i eksploatację akceleratora odpowiada DESY, największy udziałowiec spółki European XFEL GmbH zarządzającej budową lasera.

- Akcelerator cząstek lasera European XFEL jest pierwszym uruchomionym na świecie nadprzewodzącym akceleratorem liniowym tej wielkości. Uruchomienie tej skomplikowanej maszyny wieńczy 20-letnie zaangażowanie naukowców DESY i konsorcjum European XFEL GmbH w ten wielki międzynarodowy projekt. Pierwsze eksperymenty fizyczne są już bardzo blisko; jestem podekscytowany myślą o czekających nas odkryciach. Osiągnięcie tego kamienia milowego bardzo mnie cieszy. Serdecznie gratuluję wszystkim zaangażowanym wspaniałej roboty i wykazanej przy tym dużej nieustępliwości - powiedział Helmut Dosch, Dyrektor Generalny DESY.

European XFEL to rentgenowski laser najwyższej klasy. Będzie mógł wytwarzać 27 tysięcy błysków promieniowania rentgenowskiego na sekundę, każdy tak krótki i intensywny, że z ich pomocą badacze będą mogli "fotografować" struktury i procesy zachodzące w skali atomowej.

Nadprzewodzący akcelerator elektronów - który właśnie osiągnął stan pozwalający rozpędzać elektrony na całej swej długości - jest kluczowym podzespołem lasera, którego całkowita długość sięga 3,4 km. Podstawą umożliwiającą osiągnięcie unikatowo wysokiej częstości powtarzania błysków jest zastosowana w nim nadprzewodząca technologia TESLA opracowana przez międzynarodową kolaborację pod kierunkiem DESY. Jak wiadomo, nadprzewodnictwo oznacza brak oporu elektrycznego w obwodach akceleratora. Wymaga to schłodzenia ich do ekstremalnie niskiej temperatury.

Przez grudzień i styczeń akcelerator był schładzany do swej temperatury roboczej -271°C. Następnie uruchomiono źródło elektronów i pierwszą sekcję (18 spośród łącznie 98 modułów) akceleratora. W tej sekcji paczki elektronów są przyspieszane i trzykrotnie ogniskowane do rozmiaru rzędu 10 mikronów (tysięcznych części milimetra). Na końcu zespół konstruktorów uruchomił trzecią sekcję akceleratora. Obecnie elektrony są przyspieszane do energii 12 giga-elektronowoltów (GeV), docelowo planowane jest osiągnięcie energii 17,5 GeV.

- Energia i inne parametry elektronów w paczkach już obecnie są w zakresie w jakim mają być w pierwszej fazie udostępniania urządzenia użytkownikom - powiedział Winfried Decking, fizyk z DESY prowadzący testy zdawczo-odbiorcze akceleratora lasera European XFEL.

Zanim pozwoli się elektronom dotrzeć do zespołu magnesów odchylających zwanych undulatorami, obecnie intensywnie sprawdza się współpracę różnych unikatowych elementów akceleratora i układy sterowania wiązką. Przechodząc slalomem przez sekcję undulatorów o długości do 210 m elektrony będą generować błyski laserowego promieniowania rentgenowskiego o wielkiej intensywności. Eksperymenty naukowe mają rozpocząć się jeszcze tej jesieni.

Nadprzewodzący liniowy akcelerator elektronów dla lasera European XFEL był budowany siedem lat przez międzynarodowe konsorcjum kierowane przez DESY. Członkami konsorcjum są następujące instytucje naukowe: CEA i CNRS z Francji; INFN z Włoch; IFJ-PAN, NCBJ i Politechnika Wrocławska z Polski; Instytut Budkera, Instytut Fizyki Wysokich Energii, Instytut Badań Jądrowych oraz NIIEFA z Rosji; CIEMAT i Politechnika Madrycka z Hiszpanii; Laboratorium Manne Siegbahn’a, Uniwersytet w Sztokholmie i Uniwersytet w Uppsali ze Szwecji; oraz Instytut Paula Scherrera ze Szwajcarii.    

Polski wkład rzeczowy w budowę lasera European XFEL:

• Technicy i naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie opracowali m.in. specjalistyczne procedury i oprogramowanie służące do przeprowadzania pomiarów parametrów pracy nadprzewodzących rezonatorów pola wysokiej częstotliwości wchodzących w skład akceleratora oraz jego kompletnych modułów przyspieszających. Uczeni przeprowadzili także testy rezonatorów i zestawów magnesów nadprzewodzących służących do ogniskowania i sterowania wiązką elektronową.
• Wydział Mechaniczno-Energetyczny Politechniki Wrocławskiej, Wrocławski Park Technologiczny, firmy Kriosystem (Wrocław) oraz KATES (Olsztyn) zaprojektowały i wykonały m.in. linię kriogeniczną do transportu ciekłego helu.
• NCBJ opracowało, wykonało i przetestowało ponad tysiąc anten usuwających z przyspieszającego pola elektromagnetycznego szkodliwe częstotliwości (tzw. sprzęgacze HOM), kilkaset anten diagnostycznych montowanych w rezonatorach nadprzewodzących (Pick-up) oraz ok. stu absorberów służących eliminacji propagowania się niepożądanych częstotliwości.