Lasery rentgenowskie LCLS i LCLS II – SL AC

Rozwój infrastruktury badawczej i użytkowej  LCLS – Laser LCLS II 

Badania akceleratorów i wiązek

Prowadzonych jest szereg równoległych projektów rozwojowych infrastruktury rozpisanych na najbliższą pięciolatkę 2013–2017. Projekt o synonimie CATHO jest ukierunkowany na poprawę niezawodności fotokatody w dziale elektronowym RF. Projekt XTCAV dotyczy poprzecznej transmisyjnej wnęki rezonansowej dla pasma X, która działa efektywnie jako ultraszybka kamera śladowa, zapewniająca informację z impulsu na impuls o strukturze czasowej promieniowania rentgenowskiego. Rozwijane techniki kross korelacji zapewniają synchronizację impulsów optycznych i rentgenowskich. Inne projekty dotyczą samo posiewu twardego promieniowania rentgenowskiego, samo-posiewu miękkiego promieniowania rentgenowskiego, spektrometrii pojedynczego impulsu twardego promieniowania rentgenowskiego, timingu laserowo-rentgenowskiego, wielozgęstkowych impulsów rentgenowskich, undulatora typu DELTA, undulatora stożkowego dla promieniowania dużej mocy, dzielenia promienia rentgenowskiego twardego, i inne. Podstawowym celem badań jest uzyskanie impulsowej wiązki rentgenowskiej o znacznie poprawionych parametrach, niż tylko duże natężenie i krótkość impulsu. Konieczna jest stabilizacja natężenia, kontrolowanie długości impulsu, uzyskanie znacznej rozdzielczości energetycznej, polaryzacji, oraz dostępność wielokolorowych impulsów o zmiennym opóźnieniu. Te kierunki badań i rozwoju dla laserów i wiązek rentgenowskich podążają podobną ścieżką jak jakiś czas temu dla wiązek optycznych i laserów konwencjonalnych.

Poprawa jakości impulsów rentgenowskich prowadzi przez dokładną kontrolę przestrzeni fazowej we wiązce fotonowej. Zasiew spontaniczny nie daje takiej kontroli. Konieczny jest samo – zasiew, bowiem zasiew zewnętrzny dla promieniowania X jest obecnie nie stosowany. Wiązka powinna być koherentna wzdłużnie, wówczas jest określana jako ograniczona transformatą i w impulsie jest ograniczona niepewność pomiędzy jego długością a energią. Taki impulsy są tworzone w procesie SS SASE. Odrębnym zagadnieniem jest polaryzacja wiązki miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Polaryzacja, np. kołowa, jest tworzona w undulatorze o specjalnej konstrukcji DELTA. Inne projekty rozwoju infrastruktury dotyczą generacji wielokrotnych impulsów rentgenowskich metodą powielania oraz zwiększenie mocy lasera do poziomu TW. Maszyna TWFEL wymaga dodatkowych undulatorów.

Badania laserowe

Zastosowanie infrastruktury LCLS do badań laserowych prowadzi w dwóch kierunkach: rozszerzenie zakresu spektralnego generacji laserowej oraz diagnostyka timingu laserów. Infrastruktura LCLS posiada trzy źródła: generator częstotliwości różnicowych DFG dający falę o częstotliwości terahercowej 5…20 THz (20…15 μm), rektyfikatory optyczne na niobianie litu LiNbO3 dla pasma 1,0…1,5 THz, oraz na DAST dla pasma 2,0…2,5 THz. W układzie z materiałem DAST uzyskano natężenie pola większe od 1 MV/cm. Materiał DAST jest pompowany w zakresie MIR i wymaga zastosowania OPA a także linii transmisyjnej fali THz, ogniskowania i diagnostyki wiązki oraz nakładania wiązki THz z wiązką rentgenowską. Badania dotyczą zwiększenia efektywności konwersji, kontroli pasma generacji oraz przestrajania długości fali. Rozszerzenie pasma generacji dotyczy meV od strony fal THz, a także dziesiątków eV od strony fal UV i EUV. Badania timingu dotyczą możliwości generacji impulsów attosekundowych.

Badania detektorów

Prowadzone są badania nad nowymi generacjami detektorów. Opracowywane są prototypy detektorów o małych pikselach i bardzo niskich szumach zdolne do rekonstrukcji pojedynczych fotonów. Takie detektory są przewidziane do rentgenowskiej fotonowej spektroskopii korelacyjnej, budowy krystalicznych spektroskopów rentgenowskich, oraz do ogólnych celów obrazowania do energii fotonów 2 keV. Dalszy rozwój detektorów wymaga znacznego zwiększenia częstości zliczania na impuls na piksel z utrzymaniem wysokiej czułości dla pojedynczego fotonu. Detektory wielko-sygnałowe są konieczne do budowy dyfrakcyjnego systemu pomiarowego dla  celów nano-krystalografii. W zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego niezbędny jest uniwersalny detektor zdolny do dyskryminacji pojedynczych fotonów aż do krawędzi węglowej. Oprócz pojedynczych detektorów budowane są kamery pikselowe o dużej rozdzielczości kątowej oraz timingu sub nanosekundowym dla miękkich elektronów. Składanie detektorów w matrycę odbywa się z minimalnymi odstępami między nimi.

Techniki dostarczania próbek do wiązki

Systemy podawania próbek w obszar oddziaływania wiązki rentgenowskiej są przedmiotem obszernych studiów. Próbki stałe, ciekłe i gazowe są wstrzykiwane we wiązkę w standaryzowany sposób. Targety gazowe obejmują nanokryształy białkowe, spreje, aerozole materii biologicznej. Targety ciekłe obejmują np. roztwory ciekłe systemów molekularnych. Próbki są dostarczane w większości przypadków w obszar próżni, co znacznie komplikuje system podawania. Utworzono grupę projektową której celem jest uproszczenie i wysoka standaryzacja systemów dostarczania próbek gazowych, ciekłych i stałych.

LCLS II – 2025

Pierwsze światło z infrastruktury LCLS-II zostanie wygenerowane w roku 2018 i rozwój infrastruktury jest dokładnie rozpisany do roku 2025. Rozwój infrastruktury przewiduje budowę drugiego iniektora i niezależnego liniaka o długości 1 km. Dwa nowe undulatory dostarczają jednocześnie miękkie i twarde promieniowanie rentgenowskie do nowej hali eksperymentalnej zawierającej jedną stację eksperymentalną. Łącznie nowa hala eksperymentalna będzie posiadać sześć stacji. Dalszy rozwój przewiduje dodanie nowego undulatora dla twardego promieniowania rentgenowskiego i nowych stacji eksperymentalnych do maszyny LCLS-I.

Podsumowując, modernizacja infrastruktury LCLS do roku 2025 przewiduje, w porównaniu z stanem obecnym: dwa niezależne iniektory dające elastyczność pracy maszyny, potrojenie liczby źródeł ondulatorowych łącznie do 4, potrojenie liczby niezależnych stacji eksperymentalnych do 12, uniezależnienie pracy w modach twardym i miękkim, rozszerzenie zakresu spektralnego fotonów – 250 eV – 18 keV, impulsy twarde i miękkie z samo posiewu, poprawa parametrów impulsów – 103 w jasności, 102 mniejsze pasmo, 101 zwiększenie mocy; pełna kontrola polaryzacji promieniowanie miękkiego, manipulacja impulsem rentgenowskim – rozdzielanie, opóźnienie, łącznie, wiele kolorów); poprawa detektorów rentgenowskich – czułość na pojedynczy foton, zakres dynamiczny, liczba i wymiary pikseli, timing systemu pompa – próbka – 10 fs.

Priorytetowe kierunki badań przewidziane obecnie dla infrastruktury LCLS-II są następujące:

• nowe zjawiska w materiałach zaawansowanych – nazywanych także materiałami kwantowymi, badania atomowe, elektronowe i spinowe w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego,
• dynamika reakcji chemicznych naturalnych i sztucznych – zaprojektowanych, molekularne transformacje fotochemiczne, badania atomowe i elektronowe w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego,
• struktura nanokryształów białkowych oraz struktura białek niekrystalizujących, techniki nanokrystalizacji i badania atomowe, zaawansowane badania dyfrakcyjne systemów pozornie nieuporządkowanych.

Materiały kwantowe

W materii skondensowanej można otrzymywać stabilne egzotyczne stany kwantowe poprzez kontrolę składu chemicznego i zastosowanych pól oddziaływań zewnętrznych. Prowadzi to np. do rozszerzenia obecnych technologii krzemowych i metalowych. Te materiały wykazują użyteczne właściwości, takie jak:

nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe, połączenie właściwości półprzewodnikowych i półmagnetycznych przy niskich stratach, gigantyczną magnetorezystancję, przełączaną wieloferroelektyczność.

Właściwości te wynikają z uporządkowania ładunków, spinów i orbitali w elektroniczne rozróżnialnych domenach. Domeny te fluktuują w przestrzeni i w czasie w zakresie wielu rzędów wielkości skal czasowej i przestrzennej. Infrastruktura LCLS-II jest optymalizowana w kierunku dokładnego badania tych nowych zjawisk, szczególnie w krytycznym zakresie energii fotonów meV, nanometrowym zakresie wymiarów i femtosekundowym obszarze czasów trwania zjawisk.

Koniecznym narzędziem badawczym jest dobrze zdefiniowana, stabilna rentgenowska wiązka impulsowa o kontrolowanych parametrach i zmiennej polaryzacji, czasie trwania impulsu, energii impulsu, kolorze impulsu. Odpowiedź materiału badana jest czasowo – rozdzielczą metodą rezonansowego nieelastycznego rozpraszania rentgenowskiego RIXS (time-resolved resonant, inelastic X-ray scattering). Sygnał odpowiedzi może być wzmacniany z wykorzystaniem procesów stymulowanych. Celem jest zrozumienie mechanizmów powstawania nowych cech materiałów i nowych zjawisk oraz kontrolowanie zjawisk i parametrów oraz nowych faz kwantowych materiałów.

Molekularne transformacje fotochemiczne

Poznanie szczegółów transformacji atomowych na poziomie molekularnym, a przez to uzyskanie możliwości kontroli reakcyjności chemicznej, jest konieczne dla dalszej poprawy jakości życia człowieka. Takie procesy zachodzą w femtosekundowej skali czasowej w lokalnych katalitycznych centrach reakcji. Próbkowanie takich zjawisk wymaga znacznej rozdzielczości czasowej i przestrzennej, a także uwzględnienia specyfiki chemicznej – znacznie wykraczającej poza obecne możliwości pomiarowe, szczególnie te dostępne przy pomocy źródeł synchrotronowych, a nawet źródeł FEL pierwszej generacji z niedostatecznie idealną wiązką impulsową. Kontrola reakcji chemicznych prowadzi do możliwości syntezy zupełnie nowych klas materiałów, budowy efektywnych i kompaktowych systemów gromadzenia i przechowywania energii oraz jej uwalniania – wykorzystywania, np. przy pomocy manipulacji szczególnym wiązaniem. Prowadzi to do możliwości wpływania na kluczowe reakcje biologiczne a przez to na funkcje organizmu. Infrastruktura LCLS daje możliwość badania metodami rentgenowskimi reakcji trygerowanych przez fotony optyczne. Stwarza to możliwość projektowania rozwoju sztucznych procesów biologicznych które przebiegają ze zwiększoną efektywnością. Impuls optyczny wyzwala proces, którego ewolucja jest próbkowana, a przez to obserwowana przez ściśle określone czasowo i dobrze kontrolowane impulsy rentgenowskie. Następujące ruchy atomowe są śledzone metodami ultraszybkiej krystalografii oraz dyfuzyjnymi technikami rozproszenia twardego promieniowania RTG. Spektroskopie miękkie pozwalają na obserwacje bardzo subtelnych zmian lokalnych w wiązaniach dookoła wybranych atomów w wyselekcjonowanych grupach funkcjonalnych. Używane są techniki stymulowanego rozpraszania Ramana dla promieniowanie miękkiego RTG z impulsami ograniczonymi transformatą o różnych kolorach oraz polaryzacjach.

Określanie struktury złożonych obiektów mikro- i nanobiologicznych

Zwalczanie niektórych rodzajów chorób wymaga określenia struktury wirusów lub kompleksów białkowych. Do badań strukturalnych wykorzystywane są metody anomalnej dyfrakcji pojedynczej fali SAD (Single –Wavelength Anomalous Diffraction) lub anomalnej dyfrakcji wielu fal (MAD). Metody te cechują się bardzo dokładną kontrolą rozkładu natężenia spektralnego impulsu. W celu uzyskania dużej rozdzielczości pomiaru stosuje się fotony o energii ponad 10 keV, czyli powyżej krawędzi Se i Br. Rejestrowane są pełne trajektorie fotonów, ich wszystkie odbicia, co minimalizuje potrzebę nadpróbkowania. Nad-próbkowanie jest istotnym ograniczeniem w przypadku badań protein trudnych do przygotowania próbek i krystalizacji. Nie periodyczne obiekty biologiczne, takie jak wirusy, powinny być obrazowane jednym impulsem. Jest to możliwe ale kosztem malejącej rozdzielczości.

Uruchomienie infrastruktury LCLS-II jako efektywnego laboratorium użytkowego wymaga: znacznego uproszczenia interfejsów użytkowników, szkolenia użytkowników i kadry obsługującej infrastrukturę, oraz konstrukcji dedykowanych i standaryzowanych zestawów eksperymentalnych.

Literatura:

[1] Emma P., et al.: First lasing and operation of an Angstrom-wavelength free-electron laser, Nature Photonics 4, 641–647 (2010) doi:10.1038/nphoton.2010.176

[2] Young L., et al.: Femtosecond electronic response of atoms to ultraintense X-rays, Nature 466, 56–61 (2010) doi:10.1038/nature09177

[3] Lightsources [lightsources.org/facility/lcls]

[4] SLAC Stanford Synchrotron Radiation Lightsource [http://ssrl.slac.stanford.edu/]

[5] SLAC [http://slac.stanford.edu/]

[6] SLAC LCLS [https://portal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/]

[7] SLAC LCLS-II [https://portal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/lcls_ii/]

[8] LCLS-II Conceptual Design Report [portal.slac.stanford.edu]

[9] LCLS Strategic Plan, DoE, SLAC, April 2013, SLAC-R-1007

[10] European XFEL [www.xfel.eu]; [xfel.desy.de]

[11] EuroFEL [www.eurofel.org], [WWW.iruvx.eu

[12] XFEL 2013 [http://xfel2013.univ-rennes1.fr/]

[13] Romaniuk R.: POLFEL – A free electron laser in Poland, Photonics Letters of Poland, 1 (3), pp. 103–105 (2009).

[14] Romaniuk R.S.: Akceleratory dla społeczeństwa – TIARA 2012, Elektronika, nr 3, 2013, str. 108–112.

[15] Ackerman W., K. Poźniak, R. Romaniuk, et.al.: (TESLA Collaboration), Operation of a free-electron laser from the extreme ultraviolet to the water window, Nature Photonics, vol.1, no.6, pp. 336–342, 2007.

[16] Romaniuk R.S.: Development of free electron laser and accelerator technology in Poland (CARE and EuCARD projects), Proc.SPIE, vol. 7502, paper 7502–70 (2009).

[17] Romaniuk R.S., Institute of Electronic Systems in CARE and Eu-CARD projects; Accelerator and FEL research, development and applications in Europe, Proc.SPIE, vol. 7502, paper 7502–71 (2009).

[18] Romaniuk R.: EuCARD i CARE – Rozwój techniki akceleratorowej w kraju, Elektronika, vol. 49, nr. 10, 2008, str. 12–17.

[19] Romaniuk R.S.: Instytut Systemów Elektronicznych w projektach CARE i EuCARD; Badania i zastosowania akceleratorów w Europie, Elektronika, vol. 50, nr 8/2009, str. 157–162.

[20] Romaniuk R.: CARE – Coordinated Accelerator Research in Europe, Elektronika 2–3/2005, II okładka.

[21] Romaniuk R.S., K.T. Poźniak, T. Czarski: Udział Politechniki Warszawskiej w programie CARE, Elektronika nr 2–3, 2005, str. 75.

[22] Romaniuk R.S.: EuCARD 2010: European coordination of accelerator research and development, Proc.SPIE 7745, paper 774509 (2010).

[23] Romaniuk R.S.: Accelerator infrastructure in Europe – EuCARD 2011, Proc. SPIE, vol. 8008, art.no.8008-05 (2011).

[24] Romaniuk R.S.: Accelerator Science and Technology in Europe – Eu-CARD 2012, International Journal of Electronics and Telecommunications, 2012, Vol. 58, No. 4, pp. 327–334.

[25] Romaniuk R.S.: Accelerator Technology and High Energy Physics Experiments; Photonics and Web Engineering, Wilga May 2012, Proc. SPIE 8454, art no. 845403 (2012).

[26] Romaniuk R.S.: Rozwój techniki akceleratorowej w Europie – Eu-CARD 2012, (Development of accelerator technology in Europe – EuCARD 2012), Elektronika, vol. 53, Nr 9, 2012, str. 147–153

[27] Romaniuk R.S.: Technika akceleratorowa i eksperymenty fizyki wysokich energii, Wilga 2012, Elektronika, vol. 53, Nr 9, 2012, str. 162–169.

[28] Koprek W., P. Kaleta, J. Szewiński, K.T. Poźniak, T. Czarski, R. Romaniuk: Oprogramowanie dla systemu kontrolno-pomiarowego akceleratora TESLA, Elektronika, nr 1, 2005, str. 53–58.

[29] Romaniuk R.S.: Fizyka fotonu i badania plazmy, Wilga 2012, Elektronika, vol. 53, nr 9, 2012, str. 170–176.

[30] Romaniuk R.: EuCARD 2010 – Technika akceleratorowa w Europie EuCARD, Elektronika vol. 51, no. 8, pp. 178–179 (2010).

[31] Romaniuk R.: Infrastruktura akceleratorowa w Europie – EuCARD 2011, Elektronika, vol. 52, no. 12, pp. 117–120 (2011).

[32] Romaniuk R.: Europejski laser rentgenowski, Elektronika, vol.54, no. 4, str. 149–154 (2013).

[33] Romaniuk R.: Międzynarodowy zderzacz liniowy, Elektronika, vol. 54, no. 3, str. 119–122 (2013).

[34] Zagozdzinska A., R.S. Romaniuk, K.T. Pozniak, P. Zalewski: TRIDAQ systems in HEP experiments At LHC accelerator, International Journal of Electreonics and Telecommunications, vol. 59, no. 2, pp.111–115 (2013).

[35] Romaniuk R.S.: EuCARD-2, Elektronika, vol.54, no. 3, ss. 114–119 (2013).