9427163125

Lasery rentgenowskie LCLS i LCLS II - SLAC

prof. dr hab. inż. RYSZARD S.ROMANIUK

Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych

Laboratorium SLAC

Artykuł dotyczy akceleratorowo-laserowej infrastruktury badawczej i użytkowej LCLS - SLAC. Infrastruktura służy jako laboratorium rozwojowe techniki akceleratorowo-laserowej oraz jako narzędzie badawcze w innych dziedzinach nauki. Jednym z Narodowych Laboratoriów Departamentu Energii (DoE) jest Narodowe Laboratorium Akceleratorowe (SLAC) prowadzone dla i pod nadzorem DoE przez Uniwersytet Stanforda w kampusie w Menlo Park w Kalifornii. Laboratorium SLAC, utworzone w roku 1962, prowadzi badania w zakresie eksperymentów i teorii cząstek elementarnych wykorzystując wiązki elektronowe. Zakres badań obejmuje fizykę atomową, ciała stałego, chemię, biologię i medycynę. Źródłem wiązek elektronowych jest synchrotron (SSRL) oraz laser na swobodnych elektronach (LCLS). Dodatkowo Laboratorium SLAC dysponuje akceleratorową infrastrukturą badawczą przeznaczoną do testów nowych i zaawansowanych technik akceleracyjnych FACET {Facility for Advanced Accelerator Exper-imental Tests).

Najpotężniejszy obecnie na świecie, Amerykański Laser Rentgenowski LCLS (Liniac Coherent Ligt Source), czyli liniakowe koherentne źródło światła, działa od roku 2009, jako urządzenie badawcze i użytkowe, i jest dalej rozwijane do postaci LCLS II na terenie narodowego Amerykańskiego laboratorium SLAC przy uniwersytecie Stanforda, zlokalizowanego w miejscowości Menlo Park w Kalifornii. W pewnym sensie LCLS II jest odpowiedzią na budowę maszyny EXFEL. Jest to źródło światła piątej generacji. Przewiduje się uruchomienie EXFEL w latach 2015/16, kosztem znacznie ponad 1 mld Euro. LCLS II, którego projekt rozpoczął się w 2010, będzie uruchomiony w roku 2017. Lasery LCLS, LCLS II oraz EXFEL, wykorzystują metody SASE oraz SEED do generacji światła i są zasilane liniakami elektronowymi, LCLS ciepłym a EX-FEL zimnym, o energii kilkanaście GeV i długości ponad 2 km. Liniak EXFEL wykorzystuje technologię nadprzewodzącą SRF TESLA o częstotliwości 1,3 GHz. Prototypem maszyny EXFEL jest laser FLASH. Laboratorium SLAC korzysta z ponad 50-let-niego doświadczenia budowy i eksploatacji liniowych akceleratorów elektronowych. W roku 2009 fragment największego, 3 km elektronowego akceleratora liniowego SLAC został wykorzystany do budowy maszyny LCLS. Dla maszyny LCLS II budowana jest nowa infrastruktura dla dwóch nowych wiązek laserowych. W badaniach i budowie największych światowych akceleratorów liniowych i pierścieniowych oraz laserów FEL takich jak LCLS (Stanford), EXFEL (DESY) i CEBAF (JLab) biorą udział specjaliści i młodzi uczeni z Polski.

Laser FEL LCLS

Obecnie infrastruktura LCLS posiada następujące parametry: 1 km liniak. energia wiązki elektronowej - 2-14 GeV, undulator 100 m, zakres energii fotonów - 250 eV -10 keV, długość impulsu 1-100 fs, liczba fotonów w impulsie -10¹⁰ - 10¹³. ilość koherentnych fotonów w impulsie - 10⁹, energia w impulsie - 6 mJ/imp, timing pomiędzy impulsem optycznym i X -10 fs, metoda generacji wiązki X - SS-SASE. impulsy X limitowane transformatą, pełna koherencja impulsu wzdłużna i poprzeczna, współdzielenie wiązki, 6 różnych specjalizowanych stacji eksperymentalnych, średnio 600 użytkowników na rok z 30 krajów, akceptacja średnio 1 z 4 wniosków o grant na czas wiązki.

Pierwszy na świecie laser Angstromowy LCLS - Linac Coherent Light Source został skonstruowany, i uruchomiony w kwietniu 2009 r.. na terenie ośrodka badawczego techniki akceleratorowej SLAC przez konsorcjum trzech laboratoriów: SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford, California; Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Kalifornia: Argon-ne National Laboratory, Argonne, Illinois. Ośrodek SLAC jest prowadzony przez Uniwersytet Stanforda i w znacznej mierze finansowany przez Departament Energii - DoE USA. Laser wykorzystuje trzy kilometrowy liniak elektronowy jako źródło energii dla undulatora. Oprócz liniaka, i lasera LCLS, SLAC dysponuje również dużym synchrotronowym źródłem światła trzeciaj generacji - SSRL (Stanford Synchrotron Radiation Lightsour-ce). LCLS jest laserem typu FEL wykorzystującym ok. 1/3 długości 3 km liniaka SLAC. Laser generuje koherentną wiązkę promieniowania w zakresie rentgenowskim miękkim i twardym. Szczytowa jasność wiązki jest ok. dziesięć rzędów wielkości większa od synchrotronowych źródeł konwencjonalnych. Czas trwania impulsu jest zmienny w zakresie 500 - 10 fs. Przy pomocy takiej wiązki to źródło światła może obrazować strukturę i dynamikę materii na wymiarowym i czasowym poziomie atomowym. Źródło światła czwartej generacji pracuje w zakresie 1-22 A i jest skorelowane z kilkoma laboratoriami użytkowymi pracującymi w obszarach biologii, inżynierii materiałowej, i innych. Wiązka laserowa jest dzielona w podziale czasowym pomiędzy te laboratoria.

Dostępność laserów FEL, a w szczególności unikalnej maszyny LCLS, która w wielu obszarach parametrów technicznych była pierwszą na świecie (koherencja czasowa i przestrzenna, natężenie wiązki i długość fali), otworzyła nową erę badań oddziaływania pomiędzy twardym promieniowaniem rentgenowskim o wielkim natężeniu a materią. Wiele aplikacji praktycznych promieniowania rentgenowskiego wymaga dokładnego zrozumienia jak elektrony w materii oddziaływają z intensywnym promieniowaniem X. Badania prowadzone na maszynie LCLS ujawniają naturę odpowiedzi elektronowej swobodnego atomu na promieniowanie rentgenowskie o ekstremalnych wartościach natężenia, długości fali i fluencji: odpowiednio I = 10¹⁸Wcm'², oraz A = 1.5-0.6 nm, a także F-10⁶ fotonów rentgenowskich na A². Dla takich wartości fluencji, podczas naświetlania tarczy neonowej pojedynczym rentgenowskim impulsem femtosekun-dowym, absorpcja kilku fotonów jonizuje atom całkowicie. Foto-ejekcja elektronów z wewnętrznych powłok atomowych wymusza chwilową całkowitą (indukowaną) przezroczystość tarczy gazowej. Taka przezroczystość, spowodowana wakancjami wewnętrznych powłok, może być indukowana we wszystkich układach materialnych, dla takich wartości natężeń i fluencji wiązki rentgenowskiej. Ilościowe porównania teoretyczne i pomiędzy materiałami o strukturze atomowej, cząsteczkowej i złożonej krystalicznej oraz amorficznej, pozwala na dokładne określanie parametrów wiązki (fluencja i czas trwania impulsu) i charakterystyk materiałów. Rozszerzenie modelowania oddziaływania promieniowania X na systemy złożone jest niezbędne w zastosowaniach biologicznych.

Obrazowanie w wymiarowej (angstromowej) i czasowej (fem-tosekundowej) skali atomowej jest wykonywane przy pomocy laserowej femtokamery. Sekwencjonowane są obrazy z różnych faz oddziaływania impulsu laserowego z nano-obiektem. Powstaje rodzaj filmu molekularnego pokazującego ruch molekuły podczas jej przemian chemicznych. W ramach tych badań poznawane są dokładne mechanizmy fotosyntezy oraz struktury wirusów. Opanowanie sztucznej fotosyntezy może prowadzić do nowych metod gromadzenia i dysponowania energią oraz do produkcji żywności. Poznanie przemian struktury wi-

66

ELEKTRONIKA 5/2013