Xfel europeu

Localização

O túnel longo de 3,4 quilômetros (2,1 mi) para o XFEL europeu que abriga o acelerador linear supercondutor e as linhas de feixe de fótons corre 6 a 38 m (20 a 125 pés) subterrâneos do local do centro de pesquisa Desy em Hamburgo até a cidade de Schenefeld em Schleswig-Holstein, onde estão localizadas as estações experimentais, laboratórios e edifícios administrativos.

Acelerador

Os elétrons são acelerados para uma energia de até 17,5 GeV por um acelerador linear de 2,1 km (1,3 mi) de longa duração com cavoconidades de RF supercondutor. O uso de elementos de aceleração supercondutores desenvolvidos no DESY permite até 27.000 repetições por segundo, significativamente mais do que outros lasers de raios-X nos EUA e no Japão podem alcançar. Os elétrons são então introduzidos nos campos magnéticos de matrizes especiais de ímãs chamados onduladores, onde seguem trajetórias curvas, resultando na emissão de raios-X cujo comprimento de onda está na faixa de 0,05 a 4,7 nm.

Laser

Os raios X são gerados por emissão espontânea auto-amplificada (SASE), onde os elétrons interagem com a radiação que eles ou seus vizinhos emitem. Como não é possível construir espelhos para refletir os raios-X para vários passes através do meio de ganho de feixe de elétrons, como nos lasers leves, os raios X são gerados em um único passe através do feixe. O resultado é a emissão espontânea de fótons de raios-X que são coerentes (em fase) como a luz do laser, diferentemente dos raios X emitidos por fontes comuns, como máquinas de raios-X, que são incoerentes. O pico de brilho do XFEL europeu é bilhões de vezes maior que o das fontes de luz de raios X convencionais, enquanto o brilho médio é 10.000 vezes maior. A energia eletrônica mais alta permite a produção de comprimentos de onda mais curtos. A duração dos pulsos de luz pode ser inferior a 100 femtosegundos.

Instrumentos

Existem seis experimentos realizados dentro do Xfel pelos cientistas de todo o mundo. Todos esses experimentos usam os raios-X.

Experimentos de raios-X de femtossegundos (FXE)

Partículas únicas, aglomerados e biomoléculas e cristalografia em série de femtossegundos (SPB/SFX)

Espectroscopia e dispersão coerente (SCS)

Pequenos sistemas quânticos (Sqs)

O instrumento SQS é desenvolvido para investigar processos fundamentais de interação da matéria de luz na radiação de comprimento de onda de raios-X suave. Os objetos típicos de investigação estão na faixa de átomos isolados de grandes biomoléculas, e os métodos típicos são a variedade de técnicas espectroscópicas. O instrumento SQS fornece três estações experimentais:

Atomic-like Quantum Systems (AQS) for atoms and small moleculesNano-size Quantum Systems (NQS) for clusters and nano-particlesReaction Microscope (SQS-REMI) enabling the complete characterization of the ionization and fragmentation process by analyzing all products created in the interaction of the target with the FEL pulses

A energia de fóton varia entre 260 eV e 3000 eV (4,8 nm a 0,4 nm). Os pulsos de FEL de ultrashort inferior a 50 fs em combinação com um laser óptico sincronizado permitem capturar dinâmica nuclear ultra -rápida com resolução sem precedentes.

Matéria de alta densidade de energia (hed)

Imagem de materiais e dinâmica (MID)

O escopo do instrumento médio são experimentos científicos materiais usando as propriedades coerentes sem precedentes dos raios a laser de raios-X do XFEL europeu. As aplicações científicas atingem a física da matéria condensada, estudando, por exemplo, formação de vidro e magnetismo, a material macio e biológico, como colóides, células e vírus.

O ImagingImaging abrange uma ampla gama de técnicas e campos científicos, desde imagens clássicas de raios-X de contraste de fase até imagem coerente de difração de raios-X (CXDI) e com aplicações, por exemplo na imagem de tensão dentro de materiais nanoestruturados até a bio-imagem de células inteiras. Em muitos casos, o objetivo é obter uma representação 3D da estrutura investigada. Por métodos de recuperação de fase, é possível passar dos padrões de difração medidos no espaço recíproco para uma visualização real do espaço do objeto de espalhamento.

A dinâmica de nanoescala DynamicsComplex é um fenômeno onipresente de interesse fundamental na vanguarda da ciência da matéria condensada e compreende uma infinidade de processos do fluxo ou dissipação visco-elástica em líquidos e vidro para dinâmica de polímeros, dobragem de proteínas, transições de fase cristalina, transições de rotação de ultrafast, Dinâmica da parede de domínio, comutação de domínio magnético e muito mais. Os feixes de raios-X extremamente brilhantes e altamente coerentes abrirão possibilidades invisíveis para estudar dinâmicas em sistemas desordenados até escalas de comprimento atômico, com escalas de tempo variando de femtosegundos a segundos usando técnicas como XPCs.

Ao controle

Os experimentos na instalação são controlados pelo sistema de controle desenvolvido interno chamado Karabo. É um sistema SCADA distribuído escrito em C ++ e Python.

Pesquisar

Os pulsos de laser curtos possibilitam medir reações químicas que são muito rápidas para serem capturadas por outros métodos. O comprimento de onda do laser de raios X pode variar de 0,05 a 4,7 nm, permitindo medições na escala de comprimento atômico.

Inicialmente, uma linha de berçário de fóton com duas estações experimentais pode ser usada. Mais tarde, isso será atualizado para cinco linhas de feixe de fótons e um total de dez estações experimentais.

As linhas de viga experimentais permitem experimentos científicos exclusivos usando a estrutura de alta intensidade, coerência e tempo da nova fonte a ser conduzida em uma variedade de disciplinas que abrangem física, química, ciência dos materiais, biologia e nanotecnologia.

História

O Ministério Federal de Educação e Pesquisa Alemão concedeu permissão para construir a instalação em 5 de junho de 2007 a um custo de € 850 milhões, sob a provisão de que deve ser financiado como um projeto europeu. O XFEL GMBH europeu que construiu e opera a instalação foi fundado em 2009. A construção civil da instalação começou em 8 de janeiro de 2009. A construção dos túneis foi concluída no verão de 2012 e toda a construção subterrânea foi concluída no ano seguinte. Os primeiros raios foram acelerados em abril de 2017 e os primeiros raios de raios X foram produzidos em maio de 2017. O XFEL foi inaugurado em setembro de 2017. O custo geral para a construção e comissionamento da instalação é a partir de 2017 [atualização] estimada a € € 1,22 bilhão (níveis de preço de 2005).