53°35′20″N 9°49′44″E / 53.589°N 9.829°E / 53.589; 9.829
La instalación europea de láser de electrones libres de rayos X ( European XFEL ) es una instalación láser de investigación de rayos X que se puso en funcionamiento 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 marcha (Dinamarca, Francia, Alemania, Hungría, Polonia, Rusia, Eslovaquia, Suecia y Suiza), a los que posteriormente se sumaron otros tres socios (Italia, España y el Reino Unido), están ubicados 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 XFEL europeo está construido de 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 luz de fotones corre de 6 a 38 m (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 se aceleran a una energía de hasta 17,5 GeV mediante un acelerador lineal de 2,1 km (1,3 millas) de largo 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] Los electrones luego se introducen en los campos magnéticos de conjuntos especiales de imanes llamados onduladores , donde siguen trayectorias curvas 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 en múltiples pasadas a través del medio de ganancia del haz de electrones, como ocurre con los láseres ligeros, los rayos X se generan en una sola pasada 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 medio 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 XFEL europeo, dirigidos por científicos de todo el mundo.
SCS es el instrumento de dispersión y espectroscopía de rayos X suaves del XFEL europeo. El interés científico de SCS se centra en la exploración de fenómenos transitorios inducidos por la luz en materiales cuánticos y en moléculas. La línea de luz alberga un monocromador de rejilla de rayos X suaves 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 combinar con un espectrómetro de dispersión de rayos X inelástico resonante de alta resolución para realizar experimentos RIXS de bomba y sonda con una resolución temporal y de energía muy alta. [11]
Las cámaras FFT y CHEM se pueden acoplar a un sensor DEPMOS de dispersión directa con detector de compresión de señal (DSSC). [12] [13] [11]
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 finales están equipadas con un acoplamiento de láser óptico que permite la superposición espacial y temporal de los rayos X y los pulsos de láser óptico en el punto de interacción. [11]
El instrumento SQS está desarrollado para investigar los procesos fundamentales de la 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 proporciona tres estaciones experimentales: [14]
La energía de los fotones oscila entre 260 eV y 3000 eV (4,8 nm a 0,4 nm). Los pulsos FEL ultracortos de menos de 50 fs de duración en combinación con un láser óptico sincronizado permiten capturar dinámica nuclear ultrarrápida con muy alta resolución. [14]
El alcance del instrumento MID son 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 van 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 las clásicas imágenes de rayos X con contraste de fase hasta las imágenes coherentes de difracción de rayos X ( CXDI ) y con aplicaciones, por ejemplo, en imágenes de deformación dentro de materiales nanoestructurados hasta bioimagen de células completas. En muchos casos el objetivo es obtener una representación 3D 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 en el espacio real del objeto en dispersión.
La dinámica compleja a nanoescala es un fenómeno ubicuo de interés fundamental en la vanguardia de la ciencia de la materia condensada, y comprende una multitud de procesos que van 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, dinámica de pared de dominio, conmutación de dominio magnético y muchos más. Los haces de rayos X, extremadamente brillantes y altamente coherentes, abrirán posibilidades nunca antes vistas para estudiar la dinámica en sistemas desordenados hasta escalas de longitud atómica, con escalas de tiempo que van desde femtosegundos hasta segundos utilizando técnicas como XPCS .
Los experimentos en las instalaciones se controlan mediante el sistema de control desarrollado internamente llamado Karabo . [15] Es un sistema SCADA distribuido escrito en C++ y Python .
Los cortos pulsos del láser permiten medir reacciones químicas que son demasiado rápidas para ser capturadas por otros métodos. La longitud de onda del láser de rayos X se puede variar de 0,05 a 4,7 nm, lo que permite realizar mediciones en la escala de longitud atómica . [8]
Inicialmente, se puede utilizar una línea de luz de fotones con dos estaciones experimentales. [8] Posteriormente se ampliará a cinco líneas de luz de fotones y un total de diez estaciones experimentales. [dieciséis]
Las líneas de luz experimentales permiten realizar experimentos científicos únicos utilizando la alta intensidad, coherencia y estructura temporal de la nueva fuente en una variedad de disciplinas que abarcan física , química , ciencia de materiales , biología y nanotecnología . [17]
El Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania concedió permiso para construir la instalación el 5 de junio de 2007 por un coste de 850 millones de euros, con la condición de que se financiara como un 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 fue completado 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 costo total de la construcción y puesta en servicio de En 2017, el mecanismo se [actualizar]estimaba en 1.220 millones de euros (niveles de precios de 2005). [8]
