Lasery rentgenowskie LCLS i LCLS II – SL AC

fot. Brad Plummer/lcls.slac.stanford.edu

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 Experimental Tests).

Laboratorium SLAC

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 światla i są zasilane liniakami elektronowymi, LCLS ciepłym a EXFEL 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-letniego 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; Argonne 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 Lightsource). 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 Å 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 = 1018 W cm−2, oraz λ = 1.5–0.6 nm, a także F~105 fotonów rentgenowskich na Å2. Dla takich wartości fluencji, podczas naświetlania tarczy neonowej pojedynczym rentgenowskim impulsem femtosekundowym, absorpcja kilku fotonów jonizuje atom całkowicie. Fotoejekcja 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 (femtosekundowej) 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 wirusów w czasie rzeczywistym prowadzi do poznania budowy ich odporności na antybiotyki, a także ich rolę w powstawaniu nowotworów.

Krystalografia białek jest przedmiotem intensywnych badań przy pomocy laserów FEL. Roger Kornberg z Uniwersytetu Stanford dostał za te badania nagrodę Nobla z biologii w 2006 r. Określił on z obrazu dyfrakcyjnego (plamek Lauego) strukturę polimerazy RNA (położenia pojedynczych atomów, których w cząsteczce jest 30 tys.). Dostępność wiązki rentgenowskiej o parametrach LCLS otwiera zupełni nową drogę do badań cząstek biologicznych, które nie poddają się krystalizacji.

Infrastruktura lasera LCLS zawiera laboratoria użytkowe:

• AMO – optyka atomowa i molekularna; 
• CXI – koherentne obrazowanie rentgenowskie; 
• MEC – materia w warunkach ekstremalnych; 
• SXR – inżynieria materiałowa miękkiego promieniowania rentgenowskiego;
• XCS – rentgenowska spektroskopia korelacyjna; 
• XPP – rentgenowska technika pompa-próbka.

Laboratoria użytkowe szukają odpowiedzi na pytania podstawowe:

1. Jak atomy i pojedyncze molekuły reagują na promieniowanie rentgenowskie?
2. Jak powstają właściwości elektryczne i magnetyczne właściwości w materiałach złożonych oraz jak przebiega ewolucja reakcji chemicznych na powierzchniach?
3. Jak reagują atomy i kompleksy chemiczne na pobudzenie?
4. Czy możliwe jest rozwiązanie dokładnych struktur atomowych kompleksów biologicznych (w ich naturalnym stanie), które nie mogą być skrystalizowane i które łatwo ulegają zniszczeniu podczas dłuższej ekspozycji radiacyjnej?
5. Czy możliwe jest zaobserwowanie i zarejestrowanie ruchu atomów w materiałach nieuporządkowanych i cieczach podczas zmiany stanu ich równowagi?
6. Jak zmieniają się właściwości materii, gdy jest ona doprowadzona do stanu bardzo dalekiego od równowagi?

Laboratorium AMO korzysta z impulsowej wiązki miękkiego promieniowania rentgenowskiego lasera LCLS. Gazowy, atomowy, molekularny lub nanocząsteczkowy (kryształy białkowe, wirusy) rejon interakcji jest naświetlany wiązką impulsową. Region podlega spektroskopii elektronowej i jonowej. Stosowane są detektory wielkopowierzchniowe do rentgenowskich pomiarów dyfrakcyjnych. Prowadzone są badania nad czasowo–rozdzielczą fotojonizacją, rentgenowską dyfrakcją nanokryształów oraz jednoimpulsowym obrazowaniem obiektów niereprodukowalnych.

Laboratorium CXI korzysta z impulsowej wiązki twardego promieniowania rentgenowskiego lasera LCLS. Obrazowane są pojedyncze cząstki sub-mikronowe i określa się strukturę biomolekuł z użyciem nano-kryształów. Prawie pełna poprzeczna koherencja wiązki lasera LCLS pozwala na obrazowanie pojedynczych cząstek ze znaczną rozdzielczością. Krótki czas trwania impulsu obrazującego ogranicza zniszczenie radiacyjne, którego nie można zredukować pry użyciu źródeł synchrotronowych. Próbki są wprowadzane we wiązkę lasera statycznie lub dynamicznie przy pomocy iniektora w strumieniu płynu. Do badań obrazujących i nanokrystalograficznych stosowana jest metoda koherentnego obrazowania dyfrakcyjnego.

Laboratorium MEC bada zjawiska przejściowe w materii w warunkach ekstremalnych pod wpływem przestrajanego w długości fali impulsu rentgenowskiego. Badane jest jednoczesne oddziaływanie kilku wiązek laserowych, głównej z lasera FEL i pomocniczych z optycznych laserów konwencjonalnych wielkiej mocy i wielkiego natężenia. Aparatura pomiarowa obejmuje: rentgenowski spektrometr rozproszeniowy Thomsona, spektrometr XUV o znacznej rozdzielczości, interferometr Fourierowski, oraz system VISAR. Komora próżniowa posiada znaczną objętość, co daje laboratorium znaczną elastyczność w badaniach fizyki gęstej i gorącej materii, badaniach wysoko ciśnieniowych, badania fal uderzeniowych oraz fizyki wielkich gęstości energii. Przewiduje się także badania nieliniowych właściwości próżni.

Laboratorium SXR działa w obszarze miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Badania dotyczą emisji promieniowania rentgenowskiego, obrazowania koherentnego, rozpraszania rezonansowego, spektroskopię fotoelektronową. Badania obejmują zjawiska katalizy, magnetyzmu, materiały korelowane, astrofizykę laboratoryjną oraz struktury biologiczne. Linia eksperymentalna SXR jest wyposażona w monochromator dla zakresu energii fotonów od 0,5 do 2keV. Taki zakres energii obejmuje krawędzi K i L wzbudzeń rezonansowych pierwiastków drugiego i trzeciego rzędu. Monochromator dostarcza również promieniowanie nie monochromatyczne. Laboratorium SXR jest połączone z laboratorium AMO w szereg i próbki mogą być badane najpierw w XAS w modzie transmisyjnym.

Laboratorium XCS rentgenowskiej spektroskopii korelacyjnej pozwala na obserwacje dynamicznych zmian dużych grup atomów w systemach materii skondensowanej w szerokiej skali czasowej. Obserwacje są prowadzone przy pomocy metod koherentnego rozpraszania rentgenowskiego, oraz spektroskopii korelacyjnej fotonu rentgenowskiego. Badana jest dynamika stanów równowagi i nierównowagi w materiałach nieuporządkowanych i modulowanych.

Laboratorium XPP służy do generacji i badania przejściowych stanów materii wzbudzanej krótkotrwałym impulsem z lasera optycznego. Impuls twardego promieniowania rentgenowskiego próbkuje taki stan materii, a w szczególności jej dynamikę strukturalną zainicjowaną impulsem optycznym. Pompa optyczna jest przestrajana w szerokim zakresie przestrzeni, czasu, profili, częstotliwości, energii, natężenia i fluencji w celu wywołania wymaganych stanów wzbudzonych. Indukowane laserem zmiany strukturalne są badane przy pomocy metod rozpraszania rentgenowskiego. Tor sprzętowy obejmuje: generację i dostarczenie impulsów optycznych i rentgenowskich do próbki, przygotowanie stanu wzbudzonego w próbce, detekcja wzoru rozproszenia rentgenowskiego.

Infrastruktura LCLS wspiera programy badawcze czterech ogólnych kategorii: wiązki elektronowe, wiązki rentgenowskie, lasery konwencjonalne, stacje końcowe – laboratoria użytkowe. Badania wiązek są związane z ich generacją, diagnostyką oraz manipulacją. Badania nad laserami konwencjonalnymi dotyczą rozszerzenia zakresu spektralnego w kierunku UV i THz, a także diagnostyki timingu. Badania nad laboratoriami końcowymi dla wiązek dotyczą technik dostarczania próbek do regionu ekspozycji, detektorów i analizy danych.

Dotychczasowe osiągnięcia programu badawczego z wykorzystaniem infrastruktury LCLS, uruchomionej w 2009 r., dotyczyły wprowadzenia nowej i skutecznej rentgenowskiej techniki samo–posiewu (self seeding) zastępującej konwencjonalną technikę SASE bez posiewu. X-Ray SS SASE pozwoliła na kilkudziesięciokrotną redukcję pasma fotonu oraz na poprawę stabilności energetycznej fotonu o dwa rzędy wielkości. Inną skutecznie wprowadzoną techniką była korelacja wzajemna pomiędzy impulsami optycznymi i rentgenowskimi. Taka korelacja o wysokiej dokładności, obecnie wynosząca ok. 10 fs, jest konieczna w technice pompa (optyczna) – próbka (rentgenowska) oraz w technikach nanokrystalograficznych. Wykorzystywany jest wspólny monochromator diamentowy, z podwójnym kryształem i znacznym offsetem, dla obu wiązek fotonowych.