EuCARD-PUB-2013-001 European Coordination for Accelerator Research and Development PUBLICATION Advanced Photonic and Electronic Systems for HEP Experiments, Astroparticle Physics, Accelerator Technology, FELs and Fusion; 2013 WILGA Symposium (January) Romaniuk, R S (Warsaw University of Technology) 04 June 2013 The research leading to these results has received funding from the European Commission under the FP7 Research Infrastructures project EuCARD, grant agreement no. 227579. This work is part of EuCARD Work Package 2: DCO: Dissemination, Communication & Outreach. The electronic version of this EuCARD Publication is available via the EuCARD web site <http://cern.ch/eucard> or on the CERN Document Server at the following URL : <http://cds.cern.ch/record/1553229 EuCARD-PUB-2013-001
Lasery rentgenowskie LCLS i LCLS II SLAC prof. dr hab. inż. Ryszard S.Romaniuk Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych Laboratorium SLAC 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). 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 EX- FEL 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 66 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 10 10 10 13, ilość koherentnych fotonów w impulsie 10 9, 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 = 10 18 W cm 2, oraz λ = 1.5 0.6 nm, a także F~10 5 fotonów rentgenowskich na Å 2. 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 wi- Elektronika 5/2013
rusów 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. Jak atomy i pojedyncze molekuły reagują na promieniowanie rentgenowskie? Jak powstają właściwości elektryczne i magnetyczne właściwości w materiałach złożonych oraz jak przebiega ewolucja reakcji chemicznych na powierzchniach? Jak reagują atomy i kompleksy chemiczne na pobudzenie? 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? Czy możliwe jest zaobserwowanie i zarejestrowanie ruchu atomów w materiałach nieuporządkowanych i cieczach podczas zmiany stanu ich równowagi? 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. 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 XT- CAV 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 Elektronika 5/2013 67
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 15 20 THz (20 15 µm), rektyfikatory optyczne na niobianie litu LiNbO 3 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. 68 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 10 3 w jasności, 10 2 mniejsze pasmo, 10 1 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. Elektronika 5/2013
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 nad-próbkowania. 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). Elektronika 5/2013 69