Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 16 – vyšlo 5. května, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

16/2017

První světlo z tříkilometrového evropského laseru XFEL

Petr Kulhánek

V roce 2012 jsme při expedici Aurora, jejímž hlavním cílem bylo pozorování polárních září v severním Norsku, navštívili také německou částicovou laboratoř DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří synchrotronový zdroj záření PETRA III (obvod 2,3 km) a velký evropský laser na volných elektronech European XFEL s délkou 3,4 km, který byl uveden do provozu v září 2017. v Hamburku. Už tehdy jsme věděli, že je zde v plném proudu stavba největšího rentgenového laseru na světě, a tak jsme si staveniště obra XFELXFEL – označení pro velký laser na volných elektronech (Free Electron Laser). Největším zařízením tohoto druhu je Evropský XFEL (European XFEL) – rentgenový laser, jehož stavba započala v roce 2008 a zprovozněn byl v roce 2017. Nachází se v blízkosti německého Hamburku a má délku 3,4 km. Elektrony jsou nejprve urychleny v lineárním urychlovači pomocí soustavy rezonančních dutin. Poté shluky elektronů s vysokou energií přicházejí do undulátoru – speciální magnetické struktury, ve které se periodicky střídá orientace magnetického pole. Elektrony se pohybují po vlnovité dráze a přitom vyzařují synchrotronové záření v rentgenovém oboru. Emitované rentgenové paprsky vytvářejí extrémně intenzívní laserový záblesk koherentního a monochromatického záření. o délce 3,4 kilometru nemohli nechat ujít. Budoucí experimentální hala s podlahou 40 metrů pod úrovní země tehdy ještě neměla střechu a připomínala spíše obří jámu, do níž by se vešlo celé náměstí. Uplynulo pouhých pět let a dne 4. května prošlo zařízením první „světlo“. Samozřejmě jde o světlo v přeneseném slova smyslu, ve skutečnosti šlo o obří rentgenové impulzy, které byly prvním testem připravenosti zařízení k oficiálnímu uvedení do provozu, které je plánováno na září 2017.

Experimentální hala tenkrát a dnes. Nahoře jsou dva záběry experimentální haly z doby naší návštěvy (2012). Napravo je jeden z pěti tunelů, kterými do haly dnes přichází laserové impulzy. Dole je současný pohled (2017) na halu z webkamery z doby psaní tohoto článku. Zdroj: AGA/DESY.

DESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří synchrotronový zdroj záření PETRA III (obvod 2,3 km) a velký evropský laser na volných elektronech European XFEL s délkou 3,4 km, který byl uveden do provozu v září 2017. XFEL – označení pro velký laser na volných elektronech (Free Electron Laser). Největším zařízením tohoto druhu je Evropský XFEL (European XFEL) – rentgenový laser, jehož stavba započala v roce 2008 a zprovozněn byl v roce 2017. Nachází se v blízkosti německého Hamburku a má délku 3,4 km. Elektrony jsou nejprve urychleny v lineárním urychlovači pomocí soustavy rezonančních dutin. Poté shluky elektronů s vysokou energií přicházejí do undulátoru – speciální magnetické struktury, ve které se periodicky střídá orientace magnetického pole. Elektrony se pohybují po vlnovité dráze a přitom vyzařují synchrotronové záření v rentgenovém oboru. Emitované rentgenové paprsky vytvářejí extrémně intenzívní laserový záblesk koherentního a monochromatického záření. LCLS – Linac Coherent Light Source, rentgenový laser na volných elektronech provozovaný v americkém urychlovačovém středisku SLAC (Kalifornie, Menlo Park) od roku 2007. Laser má délku 2 kilometry a pokrývá vlnové délky od 0,13 nm do 6,2 nm. Po zprovoznění evropského laaseru XFEL v září 2017 půjde o druhý největší rentgenový laser světa. SACLA – SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser, rentgenový laser na volných elektronech, který je od roku 2011 provozován v japonském komplexu urychlovačů Spring-8 v prefektuře Hjógo. Délka zařízení je 0,7 km. Na poměrně krátké vzdálenosti je možné generovat elektromagnetické záření s vlnovou délkou 0,06 nm. Po zprovoznění Evropského laseru XFEL v září 2017 půjde o třetí největší laser tohoto druhu na světě. Undulátor – struktura periodicky se střídajících magnetů, která se využívá k vybuzení synchrotronního záření prolétávajícího svazku nabitých částic. Trajektorie částic se vlivem střídajícího se pole zvlní a nabité částice proto vyzařují. Pro velkou amplitudu oscilací částic se zařízení nazývá wiggler. Původně se undulátorem nazýval zapisovací přístroj pro podmořskou telegrafii sestrojený Lauritzenem. Skládal se ze 4 vinutých elektromagnetů se střídající se orientací a dvou otočných obloukovitých magnetů na hřídeli. Elektrický proud procházející vinutými magnety vybudil pole, které otáčelo pohyblivými magnety a jejich pohyb byl přenášen na zapisovací zařízení.

Základní informace o laserech XFEL

Všechny lasery XFEL (X ray Free Electron Laser, rentgenové lasery na volných elektronech) jsou ve skutečnosti obří lineární urychlovače elektronů. Jednotlivé shluky elektronů jsou urychleny elektrickým polem v mikrovlnných dutinách na rychlost blízkou rychlosti světla. Poté elektrony přecházejí z urychlovací části do undulátoruUndulátor – struktura periodicky se střídajících magnetů, která se využívá k vybuzení synchrotronního záření prolétávajícího svazku nabitých částic. Trajektorie částic se vlivem střídajícího se pole zvlní a nabité částice proto vyzařují. Pro velkou amplitudu oscilací částic se zařízení nazývá wiggler. Původně se undulátorem nazýval zapisovací přístroj pro podmořskou telegrafii sestrojený Lauritzenem. Skládal se ze 4 vinutých elektromagnetů se střídající se orientací a dvou otočných obloukovitých magnetů na hřídeli. Elektrický proud procházející vinutými magnety vybudil pole, které otáčelo pohyblivými magnety a jejich pohyb byl přenášen na zapisovací zařízení.. V něm se střídají severní a jižní pólové nástavce a magnetické pole zmítá shluky elektronů ze strany na stranu a tyto shluky začnou generovat synchrotronní zářeníSynchrotronní záření – záření generované relativistickými elektrony rotujícími kolem magnetických siločar nebo elektrony kmitajícími v měnícím se magnetickém poli. Jde o záření s výraznou polarizací, ze které je možné určit směr magnetického pole. Záření je polarizováno v rovině dráhy elektronu, soustředěno do úzkého kužele, vyzařováno v původním směru pohybující se částice a má spojité spektrum., které letí jen o něco rychleji než rozkmitané elektrony, vznikající rentgenový impulz je tedy předběhne. Shluk elektronů generuje koherentní laserové světlo v rentgenové oblasti. Na konci undulátorové části jsou elektrony vychýleny magnetickým polem do útlumového členu a vzniklý laserový impulz je veden do haly s experimenty. Dosud největším laserem XFEL je americký LCLSLCLS – Linac Coherent Light Source, rentgenový laser na volných elektronech provozovaný v americkém urychlovačovém středisku SLAC (Kalifornie, Menlo Park) od roku 2007. Laser má délku 2 kilometry a pokrývá vlnové délky od 0,13 nm do 6,2 nm. Po zprovoznění evropského laaseru XFEL v září 2017 půjde o druhý největší rentgenový laser světa. o délce dva kilometry, ale v září 2017 převezme pomyslné žezlo evropský laser European X-FEL s délkou 3,4 kilometru.

Lasery na volných elektronech jsou vynikajícími nástroji pro vědecký výzkum na hranici našeho poznání. Na rozdíl od jiných laserůLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. jsou laditelné a lze v určitém rozsahu měnit jejich vlnovou délku. To je samozřejmě při hledání neznámých fyzikálních zákonitostí výhodné. Lasery na volných elektronech mají především dvě oblasti použití. První z nich je vytváření extrémních stavů látky, které se na Zemi za běžných podmínek nevyskytují. Interakce laserového impulzu s látkou dokáže vytvořit látku v dosud neznámých formách, které se mohou vyskytovat napřiklad v nitrech hvězd. Druhou oblastí jsou různé zobrazovací techniky. Rentgenové záření má velmi krátkou vlnovou délku a je možné pomocí něho zobrazit procesy na úrovni molekul, tedy i jejich strukturu, chemické reakce, vibrace, molekulární dynamiku a podobné jevy. V tomto případě laser XFEL slouží jako obrovský mikroskop. Vzhledem k tomu, že elektrony jsou urychlovány v po sobě jdoucích shlucích, mohou mít vycházející laserové impulzy vysokou frekvenci, a proto bychom spíše než o mikroskopu měli hovořit o vysokofrekvenční kameře s mimořádným rozlišením. Molekulární reakce, které známe ze školních učebnic, lze pozorovat za pomoci laserů XFEL doslova v přímém přenosu.

Princip undulátoru. Shluk elektronů je rozkmitán střídajícími se pólovými nástavci tak, že se začne pohybovat po zvlněné dráze a generuje koherentní rentgenové záření. Na konci undulátoru jsou elektrony vychýleny do útlumového členu, zatímco laserový impulz pokračuje k experimentům. Zdroj: XFEL/DESY.

Hamburský gigant

V komplexu DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří synchrotronový zdroj záření PETRA III (obvod 2,3 km) a velký evropský laser na volných elektronech European XFEL s délkou 3,4 km, který byl uveden do provozu v září 2017. započala stavba obřího laseru v roce 2008. Nešlo o počin na „zelené louce“, ale v DESY je již delší dobu provozován čtvrtkilometrový laser na volných elektronech FLASHFLASH – Free-electron LASer in Hamburg, laser na volných elektronech vybudovaný v německém středisku jaderného výzkumu DESY v blízkosti Hamburgu. Urychlené elektrony jsou vychylovány v undulátoru a generují koherentní paprsek elektromagnetického záření, který je laditelný od UV po měkké RTG. Celé zařízení je dlouhé 260 metrů. Ve výstavbě je již další laser s názvem XFEL, který bude dlouhý 3 kilometry., na kterém byly získány bohaté zkušenosti. Evropský laser XFEL je vybudován 40 metrů pod zemí. Jeho tunel je veden z centra DESY pod hamburskými čtvrtěmi Osdorf a Shenefeld. Před vstupem do experimentální haly se tunel větví do pěti menších tunelů (jeden z nich je patrný na úvodním snímku), z nichž je pak elektromagnetický signál rozváděn k experimentům. Pro stavbu experimentální haly byla použita speciální betonová směs, která zabraňuje průsaku vody z okolí do podzemní budovy. Stačila by nepatrná trhlina a experimentální hala by se stala nejdražším bazénem světa.

Mapa s vyznačením tunelu evropského laseru XFEL v Hamburku. Zdroj: XFEL/DESY.

Pohled na tunel urychlovací části laseru European XFEL.Zdroj: XFEL/DESY.

Samotný urychlovací tunel má délku 2,1 kilometru a elektrony v něm získají v supravodivých mikrovlnných rezonančních dutinách energii 17,5 GeV. Za urychlovací částí následuje undulátorová část, v níž je na délce 210 metrů rozmístěno 17 290 permanentních magnetů. Celková délka laseru od injektoru elektronů až po ústí do experimentální haly je 3,4 kilometru. V „mikroskopickém“ režimu by mělo být dosaženo rozlišení 0,1 nanometru, což je dostatečné pro sledování detailů v běžných molekulách. První rentgenový impulz se podařilo vygenerovat dne 4. května 2017 a záření mělo vlnovou délku 0,8 nanometru. Opakovací frekvence impulzů byla 1 sekunda. Předpokládá se, že při rutinním provozu laseru, který započne v září 2017, bude postupně dosaženo opakovací frekvence 27 000 impulzů za sekundu a gigantický laser se stane nejvýkonnější vysokorychlostní kamerou světa v rentgenovém oboru.

Historický snímek prvního „světla“, respektive prvního laserového impulzu,
který byl vygenerován dne 4. května 2017. Zdroj: XFEL/DESY.

Na tomto videu je znázorněn princip laseru na volných elektronech. V první části je shluk elektronů urychlován v mikrovlnných rezonančních dutinách, které jsou rozděleny do stovky segmentů. V druhé části je shluk zmítán v undulátoru a před ním se objeví rentgenový impulz, který pokračuje k experimentům, zatímco elektrony jsou odvedeny do útlumového členu. Zdroj: XFEL/DESY. (8 MB mp4/h264)

Odkazy