Nakamit ng X-ray Laser na SHINE ng China ang Unang Liwanag; Target ng Shanghai ang Pagbubukas sa 2027

Inilalapit ng 4 GeV na sinag sa operasyon ang malaking proyekto sa Shanghai

Nalikha na ng pasilidad ng pananaliksik na SHINE ng China sa Shanghai ang unang liwanag ng free-electron laser nito gamit ang electron beam na 4 gigaelectronvolt (GeV), kalahati ng enerhiyang inaasahan para sa natapos na accelerator. Inanunsyo ng ShanghaiTech University ang tagumpay noong Oktubre 21, na tanda ng mahalagang hakbang tungo sa target ng proyekto na matapos at magbukas sa operasyon pagsapit ng katapusan ng 2027.

Nalikha ang unang liwanag gamit ang 18 undulator module, na bawat isa ay 4 na metro ang haba at may magnetic pattern na umuulit kada 55 milimetro. Sama-sama, bumubuo ang mga module ng 72 metro ng magnetic structure na gumagabay sa mabilis na mga electron sa paliku-likong landas, dahilan upang maglabas ang mga ito ng liwanag na nagsasama-sama bilang matinding laser pulse.

Ang SHINE, daglat ng Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility, ay idinisenyo upang tulungan ang mga siyentista na suriin ang mga istruktura sa antas ng nanometro at mga pagbabagong tumatagal ng mga femtosecond. Ang nanometro ay ika-isang bilyon ng isang metro; ang femtosecond ay ika-isang milyon ng ika-isang bilyon ng isang segundo. Dahil sa ganitong kaliit at kaikling sukat, masusuri ng mga mananaliksik ang mumunting istruktura at mabilis na galaw ng mga atom at molekula.

Nagsimula ang konstruksyon noong Abril 2018. Kapag natapos, inaasahang aabot sa 8 GeV ang superconducting linear accelerator, at may ilang mode ng operasyon na maglalabas ng hanggang isang milyong X-ray pulse kada segundo. Inaasahang sasaklaw ang unang dalawang linya ng undulator sa photon energy na 0.2 hanggang 15 kiloelectronvolt (keV).

Ang agarang tagumpay ay ang paglikha ng liwanag ng laser habang isinasagawa ang commissioning, ang proseso ng paghahanda sa kagamitan upang gumana at pagsuri sa performance nito. Bahagi pa ng nakaplanong paglipat sa operasyon sa 2027 ang regular na mga eksperimento para sa mga dumadalaw na mananaliksik. Hindi pa inanunsyo ng ShanghaiTech ang eksaktong petsa ng pagbubukas o iskedyul ng aplikasyon para sa mga mananaliksik.

Paano lumilikha ng X-ray laser ang mga gumagalaw na electron

Nagsisimula ang SHINE sa mga electron, sa halip na sa materyal na lumilikha ng liwanag na matatagpuan sa maraming pamilyar na laser. Binibigyan ng linear accelerator nito ng enerhiya ang mga electron, saka ipinadaraan sa mga undulator kung saan pinakikilos sila ng salit-salit na magnetic field mula sa isang tabi patungo sa kabila at naglalabas ng radiation.

Nagkakaugnayan ang mga electron at radiation habang dumaraan ang mga ito sa magkakasunod na module. Sa angkop na mga kondisyon, nagsasama-sama ang mga electron sa maliliit na pangkat at sabay-sabay na naglalabas ng liwanag, kaya lumalakas ito at nagiging malakas na pulse. Tinutulungan ng enerhiya ng mga electron at pagitan ng mga magnetic structure na matukoy ang enerhiya ng nalilikhang mga photon, ang mga indibiduwal na pakete na bumubuo sa liwanag.

Inilalarawan ng bilang na 4 GeV ang electron beam na ginamit sa paglikha ng unang liwanag. Inilalarawan naman ng saklaw na 0.2 hanggang 15 keV ang mga photon na inaasahang ilalabas ng unang dalawang linya. Magkaibang bahagi ng makina ang sinusukat ng mga ito: tumutukoy rito ang GeV sa mga particle na nagpapatakbo sa proseso, samantalang tumutukoy ang keV sa mga X-ray na gagamitin sa mga eksperimento.

Gumagamit ang SHINE ng superconducting accelerator na tuloy-tuloy ang alon. Gumagana ang mga superconducting component sa napakababang temperatura at dinadaluyan ng kuryente nang halos walang resistansiya. Dahil tuloy-tuloy ang operasyon, tuloy-tuloy ding gumagana ang mga radio frequency field ng accelerator, kaya nasusuportahan ang madalas na pagdating ng mga pulso ng electron sa halip na umasa sa magkakahiwalay at malalayong bugso.

Tatlong beamline na may magkakaibang saklaw ng enerhiya

Mas malawak ang unang yugto ng proyekto kaysa sa kagamitang ginamit sa milestone ng unang liwanag. Inilalarawan sa papel tungkol sa progreso noong 2024, na iniharap sa International Particle Accelerator Conference, ang tatlong linya ng undulator, tatlong X-ray transport beamline at 10 istasyong pang-eksperimento. Sasaklaw ang mga ito sa batayang photon energy na 0.4 hanggang 25 keV.

Idinisenyo ang FEL-I para sa 3 hanggang 15 keV, ang FEL-II para sa 0.4 hanggang 3 keV, at ang FEL-III para sa 10 hanggang 25 keV. Ang FEL-II ang gumagawa ng pinakamababang enerhiya, o pinakamalalambot, na X-ray. Gumagawa naman ang dalawa pang linya ng mas matitigas na X-ray, na may mas mataas na photon energy at mas maiikling wavelength.

Ang saklaw na 0.2 hanggang 15 keV sa pinakahuling anunsyo ay para sa unang dalawang linya. Kasama sa mas malawak na batayang saklaw na 0.4 hanggang 25 keV ang FEL-III. Inilalarawan din sa papel noong 2024 ang idinagdag na bypass na magdadala ng electron beam na 5 GeV papunta sa FEL-II, upang mapababa sa 0.2 keV ang enerhiya ng inilalabas nito.

Tinutukoy rin sa parehong papel ang 42 planar undulator para sa FEL-I at 32 para sa FEL-II, kasama ang apat na downstream undulator na makapag-aayos sa polarization, ang direksiyon ng pag-oscillate ng electric field ng liwanag. Ang 18 module na ginamit sa paglikha ng unang liwanag ay isang configuration para sa commissioning sa loob ng mas malawak na planadong instalasyon.

Nagkakaiba rin ang performance ng bawat linya. Tinatayang 30 femtosecond ang tagal ng pulse ng FEL-I at FEL-II, at aabot sa 1 MHz ang dalas ng pag-uulit ng mga ito, o isang milyong pulse kada segundo. Nakatala sa isang teknikal na pag-aaral noong 2023 na aabot naman sa 0.1 MHz, o 100,000 pulse kada segundo, ang FEL-III.

Mga makikita ng mga siyentista gamit ang gayon kaikling pulse

Kabilang sa mga layuning gamit ng SHINE ang life science, quantum materials at pananaliksik sa enerhiya sa hinaharap. Mahalaga sa mga layuning ito ang kombinasyon ng maliliit na sukat at napakaikling exposure: nais malaman ng mga mananaliksik kapwa kung paano nakaayos ang materya at kung paano nagbabago ang ayos nito.

Kayang makakuha ng maikling X-ray pulse ng isang yugto sa mabilis na proseso. Sa pag-uulit ng eksperimento at pagbabago sa pagitan ng pagsisimula ng proseso at pagsisiyasat dito, maaaring mabuo ng mga mananaliksik ang pagkakasunod-sunod ng mga pagbabago, gaya ng magkakahiwalay na frame na bumubuo sa isang pelikula. Mas maraming pagkakataong makapangalap ng mga sukat ang madalas na pagdating ng mga pulse, na lalong kapaki-pakinabang kapag mahina ang mga indibiduwal na signal.

Planong gamitin sa mga unang istasyong pang-eksperimento ang coherent diffraction imaging, ultrafast X-ray spectroscopy, photoelectron measurement at serial femtosecond crystallography. Muling binubuo ng diffraction imaging ang istruktura mula sa pattern na nalilikha kapag kumalat ang mga X-ray mula sa sample. Sinusuri naman ng spectroscopy kung paano sumisipsip o naglalabas ng radiation ang materya, na naghahayag ng impormasyon tungkol sa elektronikong istruktura nito.

Nangangalap ang serial femtosecond crystallography ng mga diffraction pattern mula sa maraming maliliit na kristal na tinatamaan ng napakaikling pulse. Sinusukat ng mga paraang gumagamit ng photoelectron ang mga electron na pinakakawalan ng liwanag, upang matulungan ang mga mananaliksik na siyasatin ang kilos ng mga electron sa loob ng mga materyal. Sama-samang nag-aalok ang mga planadong pamamaraan ng iba't ibang paraan upang maiugnay ng SHINE ang mikroskopikong istruktura sa mabilis na pagbabagong pisikal o kemikal.

Mas malaking kontrol sa mismong liwanag

Idinisenyo ang soft X-ray line ng SHINE upang mag-alok ng ilang mode ng operasyon sa halip na iisang uri lamang ng pulse. Inilalarawan ng pag-aaral sa beamline noong 2023 na inilathala sa Frontiers in Physics ang self-amplified spontaneous emission, self-seeding, external seeding at pagkontrol sa polarization bilang mga pangunahing opsiyon nito.

Sa self-amplified spontaneous emission, na karaniwang dinadaglat na SASE, lumalakas ang laser mula sa paunang radiation mismo ng mga electron. Gumagamit naman ang seeding ng mas kontroladong panimulang signal. Sinasala ng self-seeding ang bahagi ng X-ray radiation at ginagamit iyon upang higit pang palakasin ang liwanag; nagsisimula naman ang external seeding sa hiwalay na laser. Layunin ng mga pamamaraang ito na makalikha ng liwanag na mas eksaktong kontrolado ang spectrum at timing.

Inilalarawan sa pag-aaral ang soft X-ray radiator na may 32 module na tig-4 na metro ang haba at gumagamit ng pangunahing magnetic period na 55 milimetro. Dinisenyo ang 14 na module sa unahan upang mapalitan ang period ng 55 at 75 milimetro. Sinusuportahan ng kakayahang ito ang iba't ibang kondisyon at teknik sa pag-convert ng radiation ng seed laser tungo sa mas maiikling wavelength.

Nasubukan na ang ilang kaugnay na teknolohiya sa hiwalay na pasilidad ng Shanghai na Shanghai soft X-ray Free-Electron Laser, na kilala bilang SXFEL. Itinatala sa pag-aaral ang lasing sa ika-47 at ika-54 na harmonic gamit ang echo-enabled harmonic generation, isang paraang nagsasaayos sa mga electron upang maglabas ang mga ito ng radiation sa mga multiple ng dalas ng seed laser. Itinatala rin dito ang signal sa ika-61 harmonic.

Sinubukan sa SXFEL sa pagtatapos ng 2022 ang monochromator, isang instrumentong optikal na pumipili ng makitid na saklaw ng photon energy. Nakamit nito ang resolving power na lampas 5,300 sa 520 electronvolt. Sinusuportahan ng gayong gawaing pagpapaunlad ang pagsisikap na maghatid ng mas eksaktong napiling mga X-ray pulse sa SHINE. Tinatalakay rin sa pag-aaral ang mga posibilidad sa hinaharap, kabilang ang mga pulse na tumatagal ng mga attosecond, na tig-iisang libong beses na mas maikli kaysa femtosecond.

Isang 100-petawatt na laser para sa matitinding kondisyon

Plano rin ng SHINE ang isang Station of Extreme Light na pagsasamahin ang free-electron laser nito at napakaikling laser na may rating na 100 petawatt. Inilalarawan ito ng proyekto bilang unang istasyong pang-eksperimento sa mundo na pinagsasama ang laser na gayon kataas ang lakas at free-electron laser.

Ang isang petawatt ay isang quadrilyong watt. Tumutukoy ang 100 petawatt sa pinakamataas na lakas habang nagaganap ang napakaikling pulse. Lumilikha ang pagtutuon ng enerhiya sa gayon kaikling pagitan ng malalakas na electromagnetic field para sa mga eksperimento sa materya sa ilalim ng matitinding kondisyon.

Tinutukoy sa papel tungkol sa progreso noong 2024 ang strong field quantum electrodynamics bilang layunin ng pananaliksik sa istasyon. Inilalarawan ng quantum electrodynamics kung paano nagkakaugnayan ang liwanag at mga particle na may kargang elektrikal. Nagbibigay-daan ang napakalalakas na field upang siyasatin ng mga mananaliksik ang interaksiyong ito sa mga kondisyong higit na matindi kaysa sa karaniwang nakikita sa mga eksperimento sa laboratoryo.

Layunin din ng pinagsamang instalasyon na suportahan ang high energy density physics, na nagsasaliksik sa materyang may malaking enerhiyang nakapokus sa maliit na bolyum. Kung pagsasamahin sa iisang eksperimento ang matinding optical laser at X-ray probe, makalilikha ang mga mananaliksik ng sukdulang mga kondisyon at masusuri ang nagaganap sa loob ng mga ito.

Pagsasaayos sa makinang mahigit 3 kilometro ang haba

Umaabot nang humigit-kumulang 3.1 kilometro ang SHINE at itinayo ito nang mga 29 metro sa ilalim ng lupa. Dahil sa lawak nito, mahalagang bahagi ng instrumentong siyentipiko ang pagsasaayos sa tiyempo, pagkontrol sa kagamitan at mabilis na pagprotekta, bukod pa sa accelerator at mga magnet.

Inilalarawan ng papel tungkol sa control system sa Nuclear Engineering and Technology ang sistemang idinisenyo upang kontrolin ang hanggang 10,000 device. Kabilang dito ang mga power supply, laser, kagamitang pambakante at iba pang component na nakakalat sa buong kompleks ng accelerator.

Gumagamit ang sistema ng balangkas na Experimental Physics and Industrial Control System, na kilala bilang EPICS, upang ikonekta ang mga kontrol ng kagamitan sa mga interface para sa operator, pangangalap ng datos at pagmamanman. Namamahagi ang timing network na nakabatay sa teknolohiyang White Rabbit ng mga signal ng orasan sa buong pasilidad. Naikabit at matagumpay nang nagamit ang timing system ng injector, na namamahagi ng mga signal sa 1.003086 MHz.

Isa ring malaking hamon ang pagprotekta sa makina. Binabantayan ng disenyo ang humigit-kumulang 5,000 signal ng aberya at gumagamit ng programmable electronics upang bawasan o ihinto ang sinag kapag kinakailangan batay sa kondisyon ng kagamitan. Ayon sa papel, wala pang isang microsecond ang oras ng pagtugon sa loob ng isang istasyon at wala pang 30 microsecond sa pagitan ng mga istasyon. Nakababawas ng pinsala ang mabilis na proteksiyon kung lumihis ang malakas na sinag sa itinakdang mga kondisyon.

Noong isumite ang papel, ang injector lamang ang gumagana at ginagamit, habang binubuo pa ang buong control system ng accelerator. Tanda ng mas huling yugto ng commissioning ang sumunod na anunsyo tungkol sa unang liwanag. Mahalaga pa rin sa planadong paglipat tungo sa regular na paggamit sa pananaliksik ang pagsasama ng accelerator, mga sistema ng paghahatid ng radiation, proteksiyon at mga istasyong pang-eksperimento.

Sino ang nagtatayo sa SHINE at ano ang susunod

Ang ShanghaiTech University ang legal na entidad na responsable sa konstruksyon. Kabilang sa mga tungkulin nito ang pagpaplano ng proyekto, pangangasiwa sa inhinyeriya, pamamahala sa kalidad at kaligtasan, at operasyon sa hinaharap at bukas na akses. Responsable rin ito sa civil engineering, limang istasyong pang-eksperimento at bahagi ng konstruksyon ng beamline.

Responsable ang Shanghai Advanced Research Institute ng Chinese Academy of Sciences sa accelerator, mga undulator, mga utility at ilang beamline. Itinatayo naman ng Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ang istasyon ng beamline para sa extreme photophysics. Dahil sa hatian ng mga tungkulin, ilang institusyon ang nakikibahagi sa accelerator, kagamitang pang-eksperimento at magiging operasyon para sa mga gagamit nito.

Ipinakikita ng mga inilathalang milestone ng proyekto ang pag-usad mula sa konstruksyon sa ilalim ng lupa hanggang sa pagkomisyon sa sinag:

• Abril 2018: Nagsimula ang konstruksyong sibil sa Shanghai.
• Katapusan ng 2022: Nakamit ng pagsubok sa monochromator sa SXFEL ang resolving power na lampas 5,300 sa 520 electronvolt.
• Abril 2023: Nagsimula ang pagkakabit sa injector ng SHINE.
• Katapusan ng 2023: Natapos na ang lahat ng shaft at lagusan, ayon sa papel tungkol sa progreso noong 2024.
• Anunsyo noong Oktubre 21: Ibinunyag ng ShanghaiTech ang paglikha ng unang liwanag gamit ang electron beam na 4 GeV at 18 undulator module.
• Katapusan ng 2027: Target ng SHINE na matapos at magbukas sa operasyon.

Nagbago ang mga naunang teknikal na iskedyul kasabay ng pagsulong ng konstruksyon. Inasahan sa pag-aaral sa beamline noong 2023 na magsisimula ang commissioning ng FEL-II sa tagsibol ng 2025. Sinabi sa papel tungkol sa progreso noong 2024 na posibleng makamit ang unang lasing bago matapos ang 2025, bagaman mahirap itong maisakatuparan, at inaasahan nitong magsisimula ang mga eksperimento ng mga gagamit sa 2027. Itinatakda naman ng pinakahuling anunsyo ang katapusan ng 2027 bilang target na pagkumpleto at pagbubukas sa operasyon.

Inilalarawan ang SHINE bilang isa sa dalawang pasilidad ng ganitong uri na pinagsasama ang madalas na mga pulse at kakayahan ng hard X-ray free-electron laser. Ang isa pa ay ang high energy upgrade ng Linac Coherent Light Source II na itinatayo sa Estados Unidos. Para sa mga mananaliksik, magmumula ang praktikal na pakinabang ng proyekto sa Shanghai sa akses sa mga planadong saklaw ng enerhiya, mode ng pulse at istasyong pang-eksperimento nito kapag natapos na ang commissioning.

Mahahalagang Punto

• Nalikha na ng SHINE sa Shanghai ang unang liwanag nito gamit ang electron beam na 4 GeV at 18 undulator module.
• Idinisenyo ang natapos na accelerator upang umabot sa 8 GeV, doble ng enerhiya ng electron na ginamit sa milestone na ito.
• Inaasahang sasaklaw ang unang dalawang linya sa 0.2 hanggang 15 keV; aabot naman sa 25 keV ang mas malawak na batayan para sa tatlong linya.
• Layunin ng ilang mode ng operasyon na maghatid ng isang milyong X-ray pulse kada segundo, na tumatagal nang sampu-sampung femtosecond.
• May 10 istasyong pang-eksperimento ang plano para sa unang yugto, kabilang ang istasyong mag-uugnay sa X-ray at 100-petawatt na laser.
• Pinamumunuan ng ShanghaiTech University ang proyekto, na target matapos at magbukas sa operasyon pagsapit ng katapusan ng 2027.