53°35′20″N 9°49′44″E / 53.589, -9.829
La Instalación Europea de Láser de Electrones Libres de Rayos X ( European XFEL ) es una instalación de investigación láser de rayos X puesta en servicio durante 2017. Los primeros pulsos láser se produjeron en mayo de 2017 y la instalación comenzó a funcionar en septiembre de 2017. El proyecto internacional con doce países participantes; nueve accionistas en el momento de la puesta en servicio (Dinamarca, Francia, Alemania, Hungría, Polonia, Rusia, Eslovaquia, Suecia y Suiza), a los que se unieron posteriormente otros tres socios (Italia, España y el Reino Unido), está ubicado en los estados federados alemanes de Hamburgo y Schleswig-Holstein . Un láser de electrones libres genera radiación electromagnética de alta intensidad acelerando electrones a velocidades relativistas y dirigiéndolos a través de estructuras magnéticas especiales. El European XFEL está construido de tal manera que los electrones producen luz de rayos X en sincronización, lo que da como resultado pulsos de rayos X de alta intensidad con las propiedades de la luz láser y a intensidades mucho más brillantes que las producidas por fuentes de luz de sincrotrón convencionales . [2] [3] [4] [5] [6] [7]
El túnel de 3,4 kilómetros (2,1 millas) de largo para el XFEL europeo, que alberga el acelerador lineal superconductor y las líneas de haz de fotones, se extiende de 6 a 38 metros (20 a 125 pies) bajo tierra desde el sitio del centro de investigación DESY en Hamburgo hasta la ciudad de Schenefeld en Schleswig-Holstein, donde se encuentran las estaciones experimentales, los laboratorios y los edificios administrativos. [8]
Los electrones son acelerados a una energía de hasta 17,5 GeV mediante un acelerador lineal de 2,1 km (1,3 mi) de longitud con cavidades de RF superconductoras . [8] El uso de elementos de aceleración superconductores desarrollados en DESY permite hasta 27.000 repeticiones por segundo, significativamente más de lo que pueden lograr otros láseres de rayos X en los EE. UU. y Japón. [9] Luego, los electrones se introducen en los campos magnéticos de matrices especiales de imanes llamados onduladores , donde siguen trayectorias similares a un eslalon que resultan en la emisión de rayos X cuya longitud de onda está en el rango de 0,05 a 4,7 nm . [8]
Los rayos X se generan por emisión espontánea autoamplificada (SASE), donde los electrones interactúan con la radiación que ellos o sus vecinos emiten. Dado que no es posible construir espejos para reflejar los rayos X para múltiples pases a través del medio de ganancia del haz de electrones, como ocurre con los láseres de luz, los rayos X se generan en un solo paso a través del haz. El resultado es la emisión espontánea de fotones de rayos X que son coherentes (en fase) como la luz láser, a diferencia de los rayos X emitidos por fuentes ordinarias como las máquinas de rayos X , que son incoherentes. El brillo máximo del XFEL europeo es miles de millones de veces mayor que el de las fuentes de luz de rayos X convencionales, mientras que el brillo promedio es 10.000 veces mayor. [8] La mayor energía de los electrones permite la producción de longitudes de onda más cortas. [9] La duración de los pulsos de luz puede ser inferior a 100 femtosegundos . [8]
Hay siete instrumentos en el European XFEL, gestionados por científicos de todo el mundo.
SCS es el instrumento de espectroscopia y dispersión de rayos X blandos del XFEL europeo. El interés científico de SCS se centra en la exploración de fenómenos transitorios inducidos por la luz en materiales cuánticos así como en moléculas. La línea de luz alberga un monocromador de rejilla de rayos X blandos para operaciones monocromáticas. [10] [11]
El instrumento está equipado con tres estaciones finales principales que se pueden acoplar a diferentes sondas experimentales: [11]
Las cámaras CHEM y XRD se pueden acoplar con un espectrómetro de dispersión de rayos X inelástico resonante de alta resolución para realizar experimentos RIXS de bombeo y sonda con una resolución temporal y energética muy alta. [11]
Las cámaras FFT y CHEM se pueden acoplar a un detector de compresión de señal (DSSC) con sensor DEPMOS de dispersión frontal. [12] [13] [11]
El SCS ofrece una variedad de fuentes ópticas diferentes que se pueden utilizar como bomba para inducir estados transitorios o reacciones fotoactivadas en las muestras. Todas las estaciones terminales están equipadas con un láser óptico acoplado que permite la superposición espacial y temporal de los rayos X y los pulsos láser ópticos en el punto de interacción. [11]
El instrumento SQS se ha desarrollado para investigar los procesos fundamentales de interacción luz-materia en la radiación de longitud de onda de rayos X suaves. Los objetos típicos de investigación van desde átomos aislados hasta grandes biomoléculas, y los métodos típicos son una variedad de técnicas espectroscópicas. El instrumento SQS dispone de tres estaciones experimentales: [14]
El rango de energía de los fotones oscila entre 260 eV y 3000 eV (4,8 nm a 0,4 nm). Los pulsos FEL ultracortos de duración inferior a 50 fs en combinación con un láser óptico sincronizado permiten capturar dinámicas nucleares ultrarrápidas con una resolución muy alta. [14]
El ámbito de aplicación del instrumento MID son los experimentos de ciencia de materiales que utilizan las propiedades coherentes sin precedentes de los rayos láser de rayos X del XFEL europeo. Las aplicaciones científicas abarcan desde la física de la materia condensada, estudiando por ejemplo la formación del vidrio y el magnetismo, hasta materiales blandos y biológicos, como coloides, células y virus.
La obtención de imágenes cubre una amplia gama de técnicas y campos científicos, desde la clásica obtención de imágenes de rayos X con contraste de fase hasta la obtención de imágenes coherentes por difracción de rayos X ( CXDI ), y con aplicaciones, por ejemplo, en la obtención de imágenes de deformación en el interior de materiales nanoestructurados y en la obtención de imágenes biológicas de células enteras. En muchos casos, el objetivo es obtener una representación tridimensional de la estructura investigada. Mediante métodos de recuperación de fase es posible pasar de los patrones de difracción medidos en el espacio recíproco a una visualización espacial real del objeto dispersante.
La dinámica compleja a nanoescala es un fenómeno omnipresente de interés fundamental en la vanguardia de la ciencia de la materia condensada, y comprende una multitud de procesos, desde el flujo viscoelástico o la disipación en líquidos y vidrios hasta la dinámica de polímeros, el plegamiento de proteínas, las transiciones de fase cristalina, las transiciones de espín ultrarrápidas, la dinámica de las paredes de dominio, la conmutación de dominios magnéticos y muchos más. Los rayos X extremadamente brillantes y altamente coherentes abrirán posibilidades nunca vistas para estudiar la dinámica en sistemas desordenados hasta escalas de longitud atómica, con escalas de tiempo que van desde femtosegundos a segundos utilizando técnicas como XPCS .
Los experimentos en las instalaciones se controlan a través del sistema de control desarrollado internamente llamado Karabo . [15] Es un sistema SCADA distribuido escrito en C++ y Python .
Los pulsos láser cortos permiten medir reacciones químicas que son demasiado rápidas para ser captadas por otros métodos. La longitud de onda del láser de rayos X puede variar de 0,05 a 4,7 nm, lo que permite realizar mediciones a escala de longitud atómica . [8]
En la actualidad, se pueden utilizar tres líneas de haz de fotones con siete instrumentos. [8] Más adelante, se ampliará a cinco líneas de haz de fotones y un total de diez estaciones experimentales. [16]
Las líneas de haz experimentales permiten realizar experimentos científicos únicos que utilizan la alta intensidad, coherencia y estructura temporal de la nueva fuente en una variedad de disciplinas que abarcan la física , la química , la ciencia de los materiales , la biología y la nanotecnología . [17]
El Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania concedió el permiso para construir la instalación el 5 de junio de 2007 con un coste de 850 millones de euros, con la condición de que se financiara como proyecto europeo. [18] La empresa europea XFEL GmbH , que construyó y opera la instalación, se fundó en 2009. [19] La construcción civil de la instalación comenzó el 8 de enero de 2009. La construcción de los túneles se completó en el verano de 2012, [20] y toda la construcción subterránea se completó el año siguiente. [21] Los primeros haces se aceleraron en abril de 2017, y los primeros haces de rayos X se produjeron en mayo de 2017. [2] [3] XFEL se inauguró en septiembre de 2017. [4] El coste total de la construcción y puesta en servicio de la instalación [update]se estima en 2017 en 1.220 millones de euros (niveles de precios de 2005). [8]
