POLFEL polski laser na swobodnych elektronach

INSTYTUT PROBLEMÓW JĄDROWYCH im. Andrzeja Sołtana THE ANDRZEJ SOŁTAN INSTITUTE FOR NUCLEAR STUDIES POLFEL polski laser na swobodnych elektronach www.polfel.pl Świerk, 6.11.2008

Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana 05-400 Otwock-Świerk www.ipj.gov.pl e-mail: sins@ipj.gov.pl tel. 022 718 0 583 2

Streszczenie Polski laser na swobodnych elektronach POLFEL to źródło światła koherentnego najnowszej (IV-tej) generacji charakteryzujące się krótkimi impulsami rzędu 100 fs o bardzo dużej mocy do 0,2 GW i długością fali w zakresie ultrafioletu sięgającą poniżej 10 nm. Laser na swobodnych elektronach (ang. Free-Electron Laser FEL) jest urządzeniem składającym się z akceleratora liniowego elektronów, ośrodka czynnego laserowo (ondulator) i linii doświadczalnych. Służy do generowania monochromatycznego i koherentnego promieniowania elektromagnetycznego o przestrajalnej długości fali określonej energią elektronów i konstrukcją ondulatora. Unikalne cechy emitowanego światła umożliwiają prowadzenie badań niemożliwych przy zastosowaniu żadnego innego urządzenia. W fizyce, chemii, biologii, materiałoznawstwie, badaniach środowiska i medycynie lasery na swobodnych elektronach pozwolą na nowe spojrzenie do wnętrza żywych komórek, molekuł i materiałów, umożliwią badanie ich struktur oraz zachodzących tam reakcji. Będzie to możliwe poprzez np.: badanie elektronowych właściwości molekuł i skondensowanej materii trójwymiarowe zdjęcia struktur atomowych rejestrację procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych w wymiarach atomowych i w femtosekundowej skali czasu, np. badania stanów wzbudzonych, przebiegu reakcji chemicznych i procesów biologicznych. Ekstremalnie krótki czas trwania impulsu FEL pozwala na rozdzielenie w czasie procesu absorpcji światła od zjawisk związanych z dyssypacją energii. Dzięki temu możliwe będzie deponowanie wysokich gęstości energii na powierzchni i śledzenie zainicjowanych tym procesów, jak nieliniowa absorpcja światła, zmiana własności optycznych oświetlanego materiału, modyfikacja struktury powierzchni, ablacja i tworzenie struktur nanometrycznych na powierzchni. Koncepcja budowy urządzenia przewiduje możliwie szerokie wykorzystanie nadprzewodzącej technologii opracowanej dla lasera XFEL budowanego w DESY w Hamburgu. XFEL to urządzenie budowane wysiłkiem 13 państw generujące promieniowanie rentgenowskie. Oparcie projektu POLFEL na elementach XFEL a umożliwi zastosowanie najnowocześniejszych, a jednocześnie sprawdzonych rozwiązań technicznych. Budowane urządzenie będzie dzięki temu w wysokim stopniu kompatybilne z laserem XFEL. Umożliwi to bliską współpracę między ośrodkami, polegającą m.in. na wspólnym opracowywaniu i testowaniu nowych rozwiązań dla obu urządzeń, kształceniu ekspertów itp. Budowa, utrzymanie i organizacja pracy na unikalnym i otwartym dla światowej społeczności naukowej urządzeniu przyniesie nową jakość polskiego uczestnictwa w rozwoju nauki na świecie i stanowić będzie niezbędne uzupełnienie prac prowadzonych przez polskie grupy za granicą. POLFEL planowany jest jako element rozproszonej infrastruktury badawczej IRUVX FEL Network znajdującej się na liście komitetu ESFRI (European Strategic Forum for Research Infrastructures). IRUVX jest to sieć laserów na swobodnych elektronach o komplementarnych parametrach, stanowiąca istotny element Europejskiej Przestrzeni Badawczej. Dzięki udziałowi w konsorcjum EuroFEL (nowa nazwa konsorcjum IRUVX), wykonawcy POLFELa będą mogli korzystać z wyników prac rozwojowych i projektowych wszystkich członków EuroFEL. Konsorcjum EuroFEL zapewnia także integrację europejskiego środowiska użytkowników laserów na swobodnych elektronach. Dzięki temu z POLFELa korzystać będą badacze z całej Europy, a polscy naukowcy uzyskają dostęp do innych laserów sieci EuroFEL. W Polsce 18 instytucji zainteresowanych badaniami z użyciem FEL skupiło się w konsorcjum XFEL-Polska, które obecnie koordynuje udział naszego kraju w projekcie XFEL. Z doświadczenia synchrotronowych źródeł światła wynika, że należy się spodziewać dużego zainteresowania badaniami ze strony przemysłu. 3

Skróty najważniejszych nazw używanych w opracowaniu 6PR, 7PR Szósty i Siódmy Program Ramowy UE BESSY Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung laboratorium synchrotronowe w Berline CARE Coordinated Accelerator Research in Europe projekt w ramach 6PR CEA Commissariat a l Energie Atomique - francuska agencja rządowa prowadząca badania w dziedzinie fizyki atomowej CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire Europejska Organizacja Badań Jądrowych zarządzająca laboratorium CERN pod Genewą CW Continues Wave fala ciągła, ciągła praca źródła w. cz. DESY Deutsches Elektronen-Synchrotron laboratorium w Hamburgu DLC Diamond-like Carbon sztucznie wytworzona struktura krystaliczna węgla podobna do diamentu, materiał o wysokiej twardości IOT Inductive Output Tube klistroda źródło mikrofalowe dużej mocy ESFRI European Strategy Forum on Research Infrastructures ESRF European Synchrotron Radiation Facility laboratorium synchrotronowe w Grenoble we Francji EUCARD European Coordination for Accelerator Research and Development projekt w ramach 7PR, kontynuacja CARE FAIR Facility for Antiproton and Ion Research kompleks badawczy fizyki jądrowej budowany w GSI, Darmstadt FEL Free-Electron Laser laser na swobodnych elektronach FLASH Freie Elektronen Laser in Hamburg FEL w laboratorium DESY FMC Fundamental Mode Coupler FWHM Full Width at Half Maximum szerokość piku mierzona w połowie wysokości GANIL Grand Accelerateur National des Ions Lourdes laboratorium fizyki jądrowej w Caen, Francja GSI Gesselshaft fur Schwerionenforschung laboratorium fizyki jądrowej w Darmstadt, Niemcy HF High Frequency, częstotliwość fali elektromagnetycznej w zakresie mikrofal HOM(C) Higher Order Modes (Coupler) IPJ Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku IRUVX InfraRed UltraViolet X-Ray nazwa europejskiej sieci FEL LAL LLRF LSF MSP NCPS L Air Liquide przedsiębiorstwo francuskie Low Level Radio Frequency Large Scientific Facility Małe lub Średnie Przedsiebiorstwo Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego planowane laboratorium synchrotronowe w Krakowie 4

NSLS POIG POLFEL PTBD PSI RRR SASE SLAC TESLA TTF UE VUV XFEL ZdAJ National Synchrotron Light Source laboratorium synchrotronowe w Brookhaven w stanie Nowy Jork w Stanach Zjednoczonych Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka Polish Free-Electron Laser Photothermal Beam Deflection Paul Scherrer Instytut w Villigen w Szwajcarii Residual Resistivity Ratio stosunek oporności właściwych mierzonych w temperaturach pokojowej 10 K Self-Amplified Spontaneous Emission Stanford Linear Accelerator Center TeV Energy Superconducting Linear Accelerator TESLA Test Facility niemiecki narodowy projekt badawczy przewidujący budowę zderzacza i lasera na swobodnych elektronach, z czasem z niego rozwinęły się projekty FLASH i europejski XFEL Unia Europejska Vacuum Ultra Violet zakres długości fali promieniowania elektromagnetycznego orientacyjnie od 5 nm do 200 nm X-ray Free Electron Laser Zakład Aparatury Jądrowej wydział konstrukcyjny IPJ 5

SPIS TREŚCI 1 WSTĘP... 8 2 POTENCJAŁ BADAWCZY LASERA POLFEL... 9 2.1 Historia rozwoju silnych źródeł światła... 9 2.2 Możliwości badawcze laserów na swobodnych elektronach... 10 2.2.1 Przykłady doświadczeń z wykorzystaniem lasera FLASH... 11 2.2.1.1 Badania poziomów energetycznych silnie naładowanych jonów... 11 2.2.1.2 Obserwacja procesu ablacji z czasową rozdzielczością... 11 2.2.1.3 Ablacja krzemu i arsenku galu... 11 2.2.1.4 Absorpcja dwufotonowa... 12 2.2.1.5 Obrazowanie na podstawie rozproszenia pojedynczych impulsów... 12 2.3 Charakterystyka lasera POLFEL... 13 2.4 Tematyka badawcza POLFEL... 14 2.4.1 Badania podstawowe w zakresie nauk fizycznych... 14 2.4.2 Badania materiałowe... 14 2.4.2.1 Badania półprzewodników i struktur kwantowych... 14 2.4.2.2 Promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie terahercowym... 14 2.4.2.3 Spektroskopia fototermiczna (PTBD)... 15 2.4.2.4 Mikroskopia i spektroskopia przykrawędziowa... 15 2.4.2.5 Inżynieria materiałowa... 15 2.4.3 Badania biologiczne i środowiskowe... 15 2.4.3.1 Spektroskopia i obrazowanie molekuł biologicznych... 15 2.4.3.2 Badania atmosfery... 16 2.4.4 Zastosowania w naukach medycznych... 16 2.5 Określenie popytu na wykorzystanie lasera POLFEL... 17 2.5.1 Potencjalni użytkownicy POLFEL w Polsce... 17 2.5.2 Potencjalni użytkownicy POLFEL w Europie... 17 2.5.3 Statystyka użytkowania lasera FLASH... 18 2.5.3.1 Struktura czasowa wiązki fotonowej... 19 2.5.3.2 Zapotrzebowanie na dodatkowe urządzenia w układzie doświadczalnym:... 20 2.5.3.3 Wykorzystanie możliwości pomiarowych na źródle FLASH... 20 3 OPIS TECHNICZNY LASERA POLFEL... 21 3.1 Założenia koncepcyjne... 21 3.2 Źródło elektronów... 22 3.3 Kompresor wiązki elektronów... 22 3.3.1 Parametry założeniowe czterech głównych elektromagnesów kompresora... 22 3.4 Schemat części akceleratorowej... 23 3.5 Sekcje akceleracyjne... 25 3.6 Mikrofalowa nadprzewodząca struktura przyspieszająca... 27 3.6.1 Sprzęgacz mocy mikrofalowej (FMC= Fundamental Mode Coupler)... 28 3.6.2 Sprzęgacze HOM i absorber modów bieżących (Travelling Modes Absorber)... 28 3.6.3 Strojnik częstotliwości struktury przyspieszającej (Cold tuners with piezo stack)... 29 3.7 Układ zasilania mocą mikrofalową... 30 3.8 Układ sterowania akceleratorem POLFEL... 30 6

3.9 Układ kriogeniczny POLFELa... 32 3.10 Układy próżniowe wiązki elektronowej i fotonowej... 33 3.11 Ondulatory... 34 3.12 Kolektor wiązki elektronów... 34 3.13 Diagnostyka wiązki elektronów... 35 3.14 Część fotonowa... 36 3.14.1 Optyka i diagnostyka wiązki fotonowej... 36 3.14.2 Linie eksperymentalne... 37 3.15 Budynek, tunel i pomieszczenia technologiczne... 37 3.15.1 Tunel akceleratora i ondulatorów... 37 3.15.2 Osłony radiacyjne... 38 3.15.3 Hala pomiarowa wraz z pomieszczeniami laboratoryjnymi... 38 3.15.4 Pomieszczenia technologiczne... 38 3.16 Zaplecze laboratoryjno-warsztatowe... 39 3.16.1 Warsztat w standardzie bezpyłowej ultra-wysokiej próżni... 39 3.16.2 Laboratorium elektroniczne... 39 3.17 Instalacja i uruchomienie... 39 4 LOKALIZACJA INWESTYCJI... 41 4.1 Potencjał położenia geograficznego... 41 4.2 Uwarunkowania techniczne... 42 4.3 Założenia do zewnętrznego zasilania energetycznego lasera POLFEL... 43 5 ZNACZENIE PROJEKTU DLA REGIONU, KRAJU I EUROPY... 44 5.1 POLFEL jako kluczowy element rozwoju ośrodka w Świerku... 44 5.2 Znaczenie projektu dla regionu... 45 5.3 Znaczenie projektu POLFEL dla polskiej nauki i gospodarki... 46 5.3.1 Zbieżność celów projektu z krajowymi dokumentami strategicznymi... 47 5.4 POLFEL jako element Europejskiej Przestrzeni Badawczej... 49 5.4.1 Lasery na swobodnych elektronach w Europie i na świecie... 49 5.4.2 POLFEL na Mapie Drogowej ESFRI... 51 5.4.3 Powiązania projektu POLFEL z 6. i 7. Programem Ramowym UE... 53 6 PODSUMOWANIE... 56 7

1 Wstęp Laser na swobodnych elektronach POLFEL jest urządzeniem generującym monochromatyczne i koherentne promieniowanie elektromagnetyczne o przestrajalnej długości fali określonej energią elektronów i konstrukcją ondulatora. Przewidziana najkrótsza długość fali emitowanego światła, leży w zakresie głębokiego ultrafioletu. Początkowo planowane jest osiągnięcie fali o długości 27 nm dla pierwszej harmonicznej oraz wykorzystanie trzeciej harmonicznej do osiągnięcia 9 nm. W tym zakresie długości fali moc promieniowania generowanego przez lasery na swobodnych elektronach przewyższa o 4-5 rzędów wielkości moc innych znanych źródeł promieniowania. Czas trwania impulsów jest ekstremalnie krótki, rzędu 10 100 fs. Parametry te pozwalają na wykonywanie jakościowo nowych badań, w tym prac z zakresu fizyki atomowej, analizy i modyfikacji materiałów, badania struktur biologicznych i dynamiki reakcji chemicznych. Głównymi elementami urządzenia będą: źródło elektronów, kriogeniczne moduły akceleracyjne, ondulator, tor optyczny i układy pomiarowe. W pierwszej fazie projektu przewidywane jest wykonanie jednego toru pomiarowego, docelowo przewiduje się wykonanie kolejnych pięciu torów i zainstalowanych na nich układów doświadczalnych. W całości urządzenie mierzyć będzie około 400 metrów i stanie się największym i najbardziej zaawansowanym technologicznie polskim urządzeniem badawczym. Całość projektu obejmuje budowę lasera, niezbędnych dla niego pomieszczeń, układów pomiarowych, instalacji zasilających oraz pomieszczeń laboratoryjnych i biurowych. Podstawowe parametry lasera POLFEL zebrane są w poniższej tabeli: Tabela 1. Wybrane parametry lasera POLFEL Maksymalna energia wiązki elektronowej: > 600 MeV Częstotliwość pola przyśpieszającego: Mod pracy źródła w.cz: Częstość powtarzania lasera UV inicjującego emisję z fotokatody: Długość fali światła - podstawowa: - trzecia harmoniczna: Maksymalna moc wiązki światła w impulsie: Moc średnia dla λ= 27 nm 1300 MHz impulsowy o długości impulsu w zakresie od 25 ms do pracy ciągłej (CW) 100 khz < 27 nm < 9 nm 0,2 GW > 1 W Energia impulsu: > 10 µj Ilość modułów kriogenicznych: Długość urządzenia: Powierzchnia całkowita pomieszczeń: w tym hala o wysokości 10 m i powierzchni: nad halą 3 kondygnacje o łącznej pow.: Tunel o wymiarach: 6 (432 wnęki niobowe) 400 m 4800 m 2 1200 m 2 3600 m 2 długość 300 m, szerokość 5 m, wysokość 4 m 8

2 Potencjał badawczy lasera POLFEL 2.1 Historia rozwoju silnych źródeł światła Źródła spójnego światła o wysokiej intensywności femtosekundowym w czasie impulsu są obecnie niezbędnym instrumentem do badania struktury materii. Wykorzystywane są długości fal od podczerwieni, poprzez zakres widzialny, nadfiolet aż do twardych promieni rentgenowskich o długości fali rzędu 0,01 nm. Promieniowanie synchrotronowe jest to silnie skupione promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez naładowane cząstki (jak np. elektrony bądź pozytony) poruszające się z przyspieszeniem. Wytwarza się je między innymi w synchrotronach i laserach na swobodnych elektronach, gdzie układy magnesów wytwarzają pole magnetyczne nadające elektronom lub pozytonom przyspieszenie zakrzywiające ich tor ruchu. W synchrotronie rozpędzone w akceleratorze elektrony są kierowane do pierścienia akumulacyjnego, gdzie poruszają się po zamkniętej tej orbicie wielokrotnie przechodząc przez układy magnesów. Po raz pierwszy użyto promieniowania synchrotronowego w połowie XX wieku do badań naukowych w dziedzinie ciała stałego, fizyki atomowej oraz cząsteczkowej. Wykorzystano do tego celu synchrotrony przeznaczone do badań z zakresu fizyki jądrowej. W synchrotronie rozpędzone w akceleratorze elektrony są kierowane do pierścienia akumulacyjnego, gdzie poruszają się po zamknie tej orbicie. Urządzenia te nie były zoptymalizowane pod kątem wykorzystania emitowanego światła. Były to tzw. źródła I-ej generacji. Jednak wyniki tych badań były na tyle doniosłe i obiecujące, że zdecydowano się na budowę źródeł II-ej generacji, specjalnie zaprojektowanych do wytwarzania promieniowania synchrotronowego i prowadzenia wykorzystujących je doświadczeń. Przykładami takich źródeł mogą być BESSY w Berlinie, NSLS w USA, Super ACO w Orsay we Francji, Photon Factory w Japonii. W latach 90-tych rozpoczęły działanie źródła III-ej generacji. Ich jasność jest wielokrotnie wyższa od uzyskiwanej poprzednio. Wzrost ten uzyskano dzięki ulepszeniu akceleratorów i ograniczeniu rozbieżności wiązki oraz dzięki użyciu specjalnych periodycznych struktur magnetycznych - tzw. wigglerów i ondulatorów. Europejskimi przykładami tego typu źródeł są: ESRF w Grenoble (Francja), Elettra w Trieście (Włochy), SLS w Villigen (Szwajcaria), BESSY II w Berlinie (Niemcy), PETRA III w Hamburgu (Niemcy). Jednocześnie już w latach 80-tych powstała koncepcja nowego typu źródła nazwanego źródłem IV-ej generacji. Wykorzystuje ono akcelerator liniowy, w którym elektrony przechodząc jednokrotnie przez odpowiednio długi ondulator podlegają oddziaływaniu z emitowanym przez siebie promieniowaniem, co prowadzi do emisji spójnego promieniowania. Jest to tzw. laser na swobodnych elektronach FEL. Wśród różnych konstrukcji tego typu należy wyróżnić laser wykorzystujący zjawisko SASE (Self-Amplified Spontaneous Emmission) FEL. Po raz pierwszy udało się taki laser uruchomić w 1994 roku w Japonii. Zapoczątkował on powstanie serii źródeł emitujących światło podczerwone, widzialne bądź nadfioletowe. W 2001 roku laboratorium DESY w Hamburgu uzyskano przy użyciu lasera FLASH fale elektromagnetyczne długości mniejszej niż 100 nm, a w roku 2005, po rozbudowie akceleratora i zwiększeniu energii elektronów, światło o długości fali 32 nm. Rekord ten został później pobity wielokrotnie przez ten sam ośrodek, i wynosi od 2007 roku 6,5 nm. Oznacza to piątą harmoniczną długość fali równą 1,6 nm, czyli energię 780 ev odpowiadającej krawędzi absorpcji L 3 dla kobaltu W 2009 roku planuje się uruchomienie nowego lasera rentgenowskiego LCLS w Stanford w USA. Będzie to laser o niespotykanej do tej pory mocy szczytowej rzędu kilku GW i gęstości mocy sięgającej 10 18 GW/cm 2. W 2013 roku planowane jest uruchomienie lasera XFEL w DESY (budowę rozpoczęto 1 stycznia 2008 roku). XFEL różni się od LCLS zastosowaniem nadprzewodzących struktur do akceleracji elektronów. Pozwoli to zarówno na wzrost szczytowej jasności (podobnie jak w przypadku LCLS) oraz jej wartości średniej. W porównaniu za źródłami III-ej generacji parametry te wzrosną odpowiednio o 10 i 5 rzędów wielkości. Na tle przedstawionego powyżej poziomu infrastruktury B+R w Europie i na świecie, Polska nie dysponuje instrumentarium naukowym umożliwiającym prowadzenie zaawansowanych badań (ocena zawarta w POIG Oś Priorytetowa 2). W kraju pracuje kilka cyklotronów, których zakres możliwości badawczych odbiega od nowoczesnych akceleratorów działających w ośrodkach naukowych w Unii Europejskiej, USA i Japonii. W związku z tym polscy naukowcy są zmuszeni do prowadzenia badań 9

za granicą, m.in. tych związanych z zastosowaniem i budową zaawansowanych źródeł światła III-ej i IV-ej generacji. Przykładami polskiego wkładu w badania prowadzone na urządzeniach typu LSF znajdujących się poza graniami kraju są liczne projekty realizowane przez polskie grupy badawcze w ESRF, BESSY II, ELETTRA oraz na laserze FLASH, a także udział w przygotowaniu i realizacji projektu XFEL. Polska jest zaangażowana finansowo i kadrowo w budowę tego urządzenia oraz w działalność ESRF. W projekt XFEL zaangażowany jest również IPJ w Świerku. Należy zwrócić uwagę, że prowadzenie przez polskich badaczy eksperymentów w ośrodkach cudzoziemskich przyczynia się do przepływu informacji i integracji środowiska polskiego ze światowym. Aby jednak współpraca była bardziej wartościowa i pozwalała w pełni wykorzystać posiadany w kraju potencjał naukowy oraz aby uwydatnić własną pozycję w europejskiej i światowej społeczności naukowej, konieczne jest wniesienie do niej wkładu polegającego na zaoferowaniu unikalnych możliwości eksperymentalnych. 2.2 Możliwości badawcze laserów na swobodnych elektronach Lasery na swobodnych elektronach mogą wytwarzać spójną wiązkę promieniowania o długości fali regulowanej od fal milimetrowych do nanometrowych, a więc obejmują przedziały widmowe: terahercowy (THz), podczerwony, widzialny, nadfioletowy i niskoenergetyczną część promieniowania rentgenowskiego. Nazywane są one źródłami światła IV generacji charakteryzujące się krótkimi impulsami (<100 fs) o olbrzymiej intensywności. Skonstruowanie takich urządzeń otwiera obszar badań obecnie niedostępny z powodów niedostatków instrumentarium. Pionierskie badania w nowo udostępnionym obszarze badawczym zawsze przynoszą oryginalne i doniosłe wyniki naukowe i wytyczają nowe kierunki rozwoju. Program badawczy POLFEL jest programem otwartym. Oznacza to, że badania na nim prowadzone będą wybierane w drodze konkursu spośród propozycji przedstawianych przez różne zespoły badawcze. Tematyka proponowanych projektów będzie zależała od parametrów wytwarzanej wiązki światła: długości fali, energii impulsu, częstości powtarzania i czasu trwania impulsu. Należy oczekiwać, że będą on zbliżone do następujących badań prowadzonych obecnie na laserze FLASH, opisanych skrótowo w Tabela 2. Technika źródeł światła: Fizyka atomowa i molekularna: Fizyka plazmy i gorącej materii: Fizyka zjawisk ultra-szybkich: Obrazowanie nanostruktur: Fizyka plazmy i gorącej materii: Biofizyka: Fizyka materii skondensowanej: Nanotechnologia: Tabela 2. Program badawczy lasera FLASH Fizyczne podstawy wytwarzania attosekundowych impulsów światła Wielofotonowa i wielokrotna jonizacja pod wpływem promieniowania z zakresu EUV Oddziaływanie atomów i cząsteczek z dwoma zsynchronizowanymi wiązkami o różnych długościach fali Oddziaływanie impulsów światła EUV z jonami uwięzionymi w pułapce Spektroskopia silnie naładowanych jonów Oddziaływanie silnego pola elektromagnetycznego z materią Spektroskopia czasowo-rozdzielcza Holografia czasowo-rozdzielcza Rozpraszanie światła spójnego na pojedynczych cząsteczkach lub klasterach, Absorpcja silnych impulsów VUV, mechanizmy dyssypacji energii, wytwarzanie plazmy, absorpcja w plazmie, badania właściwości powstającej plazmy. Oddziaływanie silnych impulsów z materiałami biologicznymi Zmiany strukturalne wywołane silnym impulsem światła z zakresu EUV Wytwarzanie struktur nanometrycznych, foto-trawienie, litografia 10

2.2.1 Przykłady doświadczeń z wykorzystaniem lasera FLASH 2.2.1.1 Badania poziomów energetycznych silnie naładowanych jonów Celem eksperymentu była doświadczalna weryfikacja przewidywań elektrodynamiki kwantowej. Silnie zjonizowane jony stanowią większą część materii występującej w gwiazdach. Ich oddziaływanie z silnym promieniowaniem elektromagnetycznym jest zjawiskiem decydującym o stanie gęstej plazmy i jest interesujące z punktu widzenia astrofizyki oraz dla badań nad wykorzystaniem fuzji termojądrowej w celu uzyskiwania energii. Oprócz pomiarów wykonywanych przy pomocy teleskopów, oddziaływanie to może być dostępne do badań doświadczalnych jedynie z wykorzystaniem FEL jako źródła światła. Doświadczenia tego typu mają także znaczenie poznawcze dla podstaw fizyki. W silnie naładowanych jonach nieliczne związane elektrony znajdują się w silnym polu kulombowskim jądra o natężeniu 10 18 V/m.. Doświadczenia z silnie naładowanymi jonami pozwalają skonfrontować wyniki doświadczeń z dokładnymi obliczeniami kwantowo-elektrodynamicznymi, wykonanymi bez przybliżeń stosowanych dla słabych pól. W ten sposób mogą one dostarczyć pożądanej weryfikacji doświadczalnej dla elektrodynamiki kwantowej. W doświadczeniu przeprowadzonym na laserze FLASH jony Fe 23+ były uzyskiwane w specjalnej pułapce jonowej i tworzyły chmurę o gęstości 10 10 jonów/cm 3. Ta chmura była oświetlana przez silną wiązkę światła o energii fotonu zmienianej w wąskim zakresie wokół energii 48,6 ev (długość fali 25,5 nm), potrzebnej do wzbudzenia jonu. Na skutek tego jony przechodziły ze stanu podstawowego 1s 2 2s ( 2 S 1/2 ) do stanu wzbudzonego 1s 2 2p ( 2 P 1/2 ), a następnie powracały do stanu podstawowego emitując fotony, rejestrowane w funkcji energii wiązki pierwotnej. Zastosowanie światła FEL pozwoliło uzyskać na tyle dokładną wartość energii linii fluorescencyjnej, że mogła być porównana z wynikami teoretycznymi otrzymanym z uwzględnieniem procesów zachodzących w czasie oddziaływania światła z próbką (S. W. Epp i inni w Physical Review Letters, vol. 98, praca nr 183001, 2007). 2.2.1.2 Obserwacja procesu ablacji z czasową rozdzielczością Oświetlenie powierzchni próbki silnym i ultrakrótkim impulsem światła powoduje silne wzbudzenie atomów (przeniesienie elektronów na wyższe poziomy energetyczne), wysoką temperaturę oraz ciśnienie. W tych warunkach następują gwałtowne przejścia fazowe i ablacja materiału. Proces jest gwałtowny i nierównowagowy. Przed powstaniem FEL procesy te były badane za pomocą impulsów generowanych przez konwencjonalne lasery, które oferowały krótkie i silne impulsy ale w zakresie podczerwieni oraz widzialnym. Otrzymywane dane są trudne do interpretacji z powodu zjawisk nieliniowych zachodzących w oddziaływaniu światła o dużej długości fali z materią takich jak wielokrotna absorpcja fononowa oraz absorpcja na swobodnych nośnikach. Zastosowanie światła o krótszej długości fali, emitowanego przez planowany laser POLFEL pozwoli na uniknięcie zjawisk nieliniowych i znaczne ułatwienie interpretacji uzyskanych danych. Ponadto, światło o energii fotonu wyższej niż energia odpowiadająca częstości własnych drgań plazmowych i niższej od krawędzi absorpcji odpowiadającej wzbudzeniom elektronów z wewnętrznych powłok, jest absorbowane w niewielkim stopniu i penetruje głębiej do oświetlanego kryształu. Te cechy pozwalają na lepsze określenie warunków oddziaływania światła z kryształem i poddanie oddziaływaniu większej objętości próbki. 2.2.1.3 Ablacja krzemu i arsenku galu Doświadczenie to przeprowadzone zostało z udziałem grupy przygotowującej projekt POLFEL. W eksperymantach użyto światła FEL o długość fali 32 nm, czasie trwania impulsu 25 fs (FWHM), energii impulsu 15 µj skupionego w ognisku o średnicy 20 µm, co daje gęstość mocy na powierzchni 10 14 W/cm 2 oraz impulsów światła lasera o długości fali 523 nm (zakres widzialny, kolor zielony) i czasie trwania 12 ps zsynchronizowanych z impulsami FEL z dokładnością do 1 ps. Impuls światła widzialnego służył jako sonda, jego odbicie było rejestrowane przez mikroskop optyczny. Mikroskop rejestrował obraz z rozdzielczością czasową określoną przez zmiany odstępu czasu pomiędzy dwoma impulsami. Taki układ doświadczalny pozwolił zarejestrować ewolucję czasową współczynnika odbicia od oświetlonej powierzchni Si i GaAs. 11

Doświadczenie potwierdziło zwiększoną penetrację światła nadfioletowego do próbki oraz brak absorpcji nieliniowej. Doświadczenie wykazało przydatność eksperymentów pompa-sonda z wykorzystaniem światła lasera na swobodnych elektronach oraz światła widzialnego (N. Stojanovic i inni, Applied Physics Letters, 89, praca nr 241909, 2006). 2.2.1.4 Absorpcja dwufotonowa Przykładem wykorzystania femtosekundowej rozdzielczości czasowej jest eksperyment, w którym próbka była oświetlona dwoma rodzajami lasera. Impuls światła FEL wzbudzał emisję monoenergetycznych fotoelektronów. Kiedy próbka była jednocześnie oświetlona dwoma impulsami: pierwszym z FEL i drugim opóźnionym o czas rzędu kilkuset fs z lasera optycznego, to w widmie fotoelektronów pojawiały się linie po obu stronach głównego maksimum pochodzące od elektronów, które po wzbudzeniu przez impuls FEL pochłonęły lub wyemitowały foton światła lasera optycznego. Dodatkowe linie znikały dla dłuższych odstępów czasowych. Eksperyment ilustruje możliwość wykorzystania różnych źródeł światła do badania oddziaływaniu światła z materią (P. Radcliff i inni, Applied Physic Letters 90, praca nr. 131108, 2007). 2.2.1.5 Obrazowanie na podstawie rozproszenia pojedynczych impulsów Eksperyment wykonano przy użyciu optyki dla ultrasilnych i ultrakrótkich impulsów nadfioletowych. Doświadczenie to stanowi przykład zastosowania nadfioletowego lasera na swobodnych elektronach do przygotowywania techniki doświadczalnej i procedur analizy danych, które znajdą zastosowanie w planowanych doświadczeniach z wykorzystaniem rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach. Badania strukturalne makromolekuł biologicznych napotykają na trudność w zastosowaniu do obiektów niekrystalicznych, takich jak na przykład wirusy. Obiekty takie nie dają odbić Braggowskich i nie mogą być badane z zastosowaniem dyfrakcji rentgenowskiej. Rozwiązaniem może być rejestracja rozkładu natężenia światła rozproszonego przez wyizolowaną molekułę. Udane przeprowadzenie takiego doświadczenia wymaga wszakże spełnienia szeregu skrajnie trudnych wymagań. Warunkiem jest, aby padające na molekułę światło było spójne, a impuls był dostatecznie silny tak, aby dało się zarejestrować światło rozproszone w zakresie pełnego kąta bryłowego. Ponadto impuls musi być krótkotrwały, aby przy swoim natężeniu nie spowodował zmian w molekule, w szczególności jej rozpadu w trakcie trwania oddziaływania. Następną trudność stanowi konieczność zarejestrowania dużej ilości obrazów, aby móc z nich uzyskać informacje o przypadkowo zorientowanej molekule. Wymaga to wielu powtórzeń tego samego pomiaru w identycznych warunkach i dla identycznych molekuł. Kolejny etap to analiza i rekonstrukcja obrazu w przestrzeni rzeczywistej na podstawie rozkładu natężenia światła rozproszonego. Na laserze FLASH dokonano udanego doświadczenia z rozpraszaniem i rekonstrukcją rysunku o wymiarach nanometrowych. Obraz odtworzono za pomocą przygotowanych algorytmów wyłącznie na podstawie obrazów dyfrakcyjnych. Doświadczenie pokazało możliwość rejestracji i interpretacji obrazu dyfrakcyjnego pochodzącego od pojedynczego impulsu świetlnego emitowanego przez FEL. Znaczenie tego wyniku polega na tym, że stanowi on wzór do powtórzenia na planowanych rentgenowskich laserach na swobodnych elektronach, co umożliwi badanie molekuł przez zastosowanie krótszej fali. (H. N. Chapman i inni Nature Physics, 2, str 839 (2006)) 12

2.3 Charakterystyka lasera POLFEL POLFEL będzie emitował światło spójne o następujących własnościach: podstawowa długość fali około 27 nm (46 ev), w przyszłości zakres fali będzie rozszerzony zarówno w kierunku fal krótszych jak i dłuższych: podczerwieni i promieniowania terahercowego, średnia energia impulsów rzędu 10 µj, częstość repetycji impulsów 100 khz w czasie 0,1 s trwania impulsu w.cz., czas trwania impulsu poniżej 100 fs (FWHM). Dzięki tym własnościom POLFEL uzupełni możliwości dotychczasowych źródeł światła: 1. konwencjonalnych laserów, przez rozszerzenie zakresu widmowego o promieniowanie o krótszej długości fali (około dziesięciokrotnie krótsza fala), 2. synchrotronów przez poprzeczną i podłużną spójność światła, intensywność wyższą o kilka rzędów wielkości oraz przez około tysiąckrotnie krótszy czas trwania impulsu, 3. istniejącego już lasera na swobodnych elektronach FLASH w DESY o możliwość pracy w modzie quasi ciągłym, docelowo w modzie ciągłym ciągłym. Możliwość badań oddziaływania światła o takich unikalnych właściwościach z materią, jak to wynika z doświadczenia m.in. lasera FLASH, rodzi niezwykle wysoki popyt kilkukrotnie przewyższający podaż na czas badawczy i na dostęp do laserów na swobodnych elektronach. Zainteresowanie światłem lasera na swobodnych elektronach jest rezultatem jego szczególnych właściwości, nie występujących w innych źródłach światła i wiąże się z możliwością przeprowadzania doświadczeń wykorzystujących: a) wysoką czasową zdolność rozdzielczą pomiarów w trybie pompa sonda, w którym pierwszy impuls świetlny, nazwany pompą, wyzwala reakcje chemiczną lub przemianę fazową, a drugi, przychodzący z dokładnie określonym opóźnieniem, nazwany sondą, oddziałuje z próbką w zastanym stadium uruchomionego przez pompę procesu, dostarczając informacji o stanie fizycznym produktów przemiany; b) duże chwilowe natężenie światła emitowanego przez laser dla uzyskania : i) dużej, rzędu 100 J/cm 2, gęstości powierzchniowej energii zdeponowanej na oświetlonej powierzchni; ii) rejestracji oddziaływań o niskim prawdopodobieństwie zachodzenia, np. dla próbek rozrzedzonych; c) krótką falę (wysoką energię fotonu) światła emitowanego przez FEL dla badania zjawisk niedostępnych eksperymentalnie w innych zakresach widmowych; d) krótki czas trwania impulsu, pozwalający na oddzielenie w czasie procesu wzbudzenia przez absorpcję światła od relaksacji i rozproszenia energii. Pracujący od 2005 roku laser FLASH w DESY, który od 2007 emituje światło spójne o najkrótszej obecnie długości fali około 1,6 nm (780 ev, w piątej harmonicznej) jest dobrym przykładem wykorzystania tych szczególnych właściwości światła FEL. Doświadczenia prowadzone w DESY na tym źródle wykorzystują jednocześnie kilka cech światła FEL, co czyni je niemożliwymi do przeprowadzenia z zastosowaniem innych źródeł światła. Laser na swobodnych elektronach, podobnie jak inne wielkie urządzenia badawcze, jest wykorzystywany przede wszystkim przez badaczy z innych ośrodków naukowych w kraju, Europie i świecie. Uzyskują oni dostęp do linii pomiarowej na kilkadziesiąt dni w roku na podstawie złożonego i ocenionego projektu badawczego. Jego realizacja jest oceniana na podstawie publikacji naukowych lub innych wyników deklarowanych w projekcie. 13

2.4 Tematyka badawcza POLFEL Zakres tematyki badawczej POLFEL można określić ekstrapolując dotychczasowe doświadczenia ze źródłami światła III i IV generacji. Technologia FEL jest jednak na tyle nowa, że podane niżej zastosowania należy traktować jedynie jako przykłady, gdyż można się spodziewać lawinowego rozwoju nowych zastosowań, podobnie jak to miało miejsce w przypadku synchrotronów. 2.4.1 Badania podstawowe w zakresie nauk fizycznych Badania rozpraszania comptonowskiego na protonach i neutronach pozwoli na określenie elektrycznej i magnetycznej polaryzowalności nukleonów. Są one fundamentalnymi wielkościami dostarczającymi informacji o wewnętrznej strukturze nukleonów. Stosując efektywną teorię pola opartą na chromodynamice kwantowej (QCD) udało się obliczyć te parametry. Porównanie wyników obliczeń z pomiarami stanowić będzie test Chiral Perturbation Theory (CPT), a więc stanowić potwierdzenie chromodynamiki w zakresie niskich energii (poniżej 500 MeV). 2.4.2 Badania materiałowe 2.4.2.1 Badania półprzewodników i struktur kwantowych Lasery na swobodnych elektronach umożliwiają wytwarzanie promieniowania o długości rzędu od kilku nanometrów do setek mikrometrów, co odpowiada energiom na poziomie od setek ev do dziesiątek mev. Niskoenergetyczna część tego zakresu, leżąca w obszarze podczerwieni obejmuje energie charakterystycznych wzbudzeń w półprzewodnikach i półprzewodnikowych strukturach kwantowych takich jak: fonony, plazmony, energie wiązania atomów domieszek czy poziomy energetyczne w studniach, kropkach czy drutach kwantowych. FEL zatem może być użyty w badaniach takich struktur, np. w badaniach dynamiki relaksacji. Wysoka gęstość energii powinna również pozwolić na obserwację i analizę procesów nieliniowych. Rozwój techniki fal milimetrowych wymaga opracowania dedykowanych urządzeń nadawczoodbiorczych: anten hybrydowych, mikserów, filtrów itd. Urządzenia te zbudowane będą według koncepcji MEMS, dodatkową korzyścią z uruchomienia programu FEL byłby więc rozwój technik wytwarzania w skali mikro i nano. Nowoczesną i bardzo obiecującą techniką spektroskopową jest metoda pompowania i analizy (pompa - sonda), w której jeden impuls energii służy do wzbudzenia a drugi, opóźniony w stosunku do pierwszego, do analizy efektów wywołanych przez wzbudzenie. Użycie jako jednego ze źródeł lasera na swobodnych elektronach umożliwi precyzyjny dobór energii impulsu wzbudzającego lub analizującego. Kilka możliwych zastosowań tej techniki to: Badania dynamiki nośników w supersieciach. Spodziewane jest wyjaśnienie oddziaływań wewnątrzpasmowych np. w celu budowy wydajnych laserów kaskadowych. Zagadnienia absorpcji w studniach kwantowych i supersieciach. Problem szerokości linii emisyjnych i dyspersji. Własności optyczne w zakresie podczerwieni i zakresie THz takich struktur kwantowych jak oscylatory Blocha i kwantowe lasery kaskadowe. Koherentne efekty rezonansowe. Intensywne impulsy laserowe mogą prowadzić do takich zjawisk jak oscylacje Rabiego. Wzbudzenie koherentne. Ultrakrótkie impulsy w podczerwieni mogą wpływać na dynamikę elektronów. 2.4.2.2 Promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie terahercowym Promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie teraherców (THz) obejmuje zakres leżący pomiędzy promieniowaniem mikrofalowym a podczerwonym. Zakres ten jest obecnie bardzo słabo poznany, co wynika głównie z trudności w generacji i detekcji takiego promieniowania. Promieniowanie terahercowe oferuje ogromne możliwości pomiarowe, wynikające głównie z faktu, że w odróżnieniu od spektroskopii optycznej w zakresie tym możliwy jest bezpośredni pomiar zależności 14

czasowych dla pola elektrycznego. Oznacza to, że spektroskopia terahercowa pozwala na bezpośrednią analizę amplitudy i fazy promieniowania, a więc składowej rzeczywistej i urojonej, bez konieczności posiłkowania się wzorami Kramersa-Kroniga. Zakres terahercowy jest typowy dla częstotliwości drgań cząsteczek cieczy i wielu molekuł, promieniowanie to może zatem służyć do identyfikacji związków chemicznych. Z tego względu zakres ten jest przedmiotem dużego zainteresowania służb specjalnych, terahercowa bramka na lotnisku mogłaby teoretycznie pozwolić na identyfikację nawet śladowych ilości substancji chemicznych wnoszonych przez człowieka na pokład samolotu. 2.4.2.3 Spektroskopia fototermiczna (PTBD) Podstawowym zagadnieniem ekologii jest problem precyzyjnych pomiarów zanieczyszczeń w środowisku naturalnym. Typowym przykładem są zanieczyszczenia związane z obecnością metali ciężkich, takich jak ołów, kadm czy też izotopy radioaktywne, które mogą pochodzić bądź to ze źródeł naturalnych lub zostać uwolnione w wyniku awarii reaktora jądrowego. Spektroskopia w podczerwieni stanowi cenne narzędzie w badaniach środowiska pozwalając na określenie związków powstających na powierzchni minerałów w wyniku oddziaływania z metalami. Poważnymi ograniczeniami tych badań jest to, że większość minerałów jest nieprzezroczysta w zakresie widzialnym, co powoduje konieczność wykonywania pomiarów w geometrii odbiciowej, o znacznie gorszej relacji sygnału do szumu niż pomiary transmisyjne. Po drugie, niebezpieczna koncentracja metali ciężkich lub izotopów radioaktywnych jest niewielka, co w połączeniu z niską czułością metody ogranicza jej stosowanie do badań modelowych. Spektroskopia fototermiczna umożliwia detekcję bardzo małych koncentracji domieszek, na poziomie 10-6 10-8. Połączenie metody PTBD z laserem na swobodnych elektronach jako źródłem wzbudzenia stanowi potężne narzędzie badawcze w naukach o środowisku. Szeroki zakres długości fali wzbudzenia i jej impulsowy charakter stanowią optymalną kombinację dla badania absorpcji zanieczyszczeń w środowisku naturalnym. 2.4.2.4 Mikroskopia i spektroskopia przykrawędziowa Mikroskopia przykrawędziowa umożliwia charakteryzację struktur z rozdzielczością lepszą niż wynika to z długości fali użytego promieniowania. Technika ta wykorzystuje obecnie lasery podczerwone (np. na CO 2 ). w połączeniu ze strojonym laserem na swobodnych elektronach umożliwi analizę częstotliwości drgań molekularnych w próbkach biologicznych z submikronową rozdzielczością. 2.4.2.5 Inżynieria materiałowa Część planowanej linii doświadczalnej będzie dedykowana doświadczeniom z dziedziny inżynierii materiałowej, w szczególności inżynierii powierzchni. Planowane są badania nad przejściami fazowymi i zmianami morfologii materiałów, wywołanymi oświetleniem światłem z zakresu dalekiego nadfioletu (EUV). W szczególności będą to: badania nad wydajnością trawienia powierzchni kryształów organicznych przy pomocy światła w zależności od długości fali, prace nad rozwojem technologii wytwarzania mikro nano struktur na powierzchni kryształów organicznych, badanie zmian właściwości fizycznych powierzchni pod wpływem naświetlania, prace nad rozwojem technologii wzrostu kryształów nieorganicznych wspomaganego naświetlaniem, trawienie materiałów przezroczystych, przemiany fazowe węgla pod wpływem naświetlania, wytwarzanie fazy DLC. 2.4.3 Badania biologiczne i środowiskowe 2.4.3.1 Spektroskopia i obrazowanie molekuł biologicznych Promieniowanie wytwarzane przez lasery na swobodnych elektronach może stanowić również potężne narzędzie badawcze dla nauk biologicznych. Intensywne, koherentne i strojone w zakresie od podczerwieni do mikrofal o ultrawysokiej częstotliwości (zakres THz) źródło promieniowania pozwoli 15

na badanie i modyfikację molekuł. Możliwe stanie się badanie rezonansowych wzbudzeń molekuł w proteinach, enzymach, jądrach komórkowych i membranach komórkowych. Spodziewane korzyści wynikające z zastosowania laserów na swobodnych elektronach wynikają z możliwości połączenia pomiarów spektroskopowych dostarczających informację o charakterystycznych częstościach drgań molekuł z możliwością modyfikowania molekuł przy pomocy tego samego promieniowania. Impulsowy charakter promieniowania pozwala na rejestrowanie zmian w układzie molekuł w trakcie ich modyfikacji, co można określić obrazowo jako możliwość nakręcenia filmów przedstawiających przebieg procesów biologicznych, takich jak śmierć komórki, wychwyt fotonu przez chlorofil i wiele innych. FEL jest zdolny wytworzyć promieniowanie w zakresie tzw okna wodnego czyli o energii z przedziału pomiędzy energią progu absorpcji K węgla 284 ev (4,4 nm) i energią progu absorpcji K tlenu 543 ev (2,3 nm). W związku z tym, że w tym przedziale energii fotonu węgiel absorbuje znacznie silniej niż tlen, możliwe jest obrazowanie obiektów biologicznych z dużym kontrastem. Molekuły zawierające węgiel są łatwo odróżnialne od tła pochodzącego od wody. 2.4.3.2 Badania atmosfery Spodziewane jest, że wykorzystanie lasera na swobodnych elektronach do budowy strojonego w szerokim zakresie częstotliwości lidaru umożliwi detekcję i mapowanie w czasie rzeczywistym procesów zachodzących w atmosferze. 2.4.4 Zastosowania w naukach medycznych Medycyna i badania biomedyczne wydają się być obiecującymi dziedzinami zastosowań laserów na swobodnych elektronach. Po pierwsze, promieniowanie w dalekiej podczerwieni charakteryzuje się niską absorpcją w organizmie człowieka. Pozwala to na obrazowanie narządów wewnętrznych przy bardzo niskim ryzyku napromieniowania. Zastosowanie częstotliwości z górnej części zakresu terahercowego, umożliwia identyfikację związków chemicznych i molekuł organicznych, co w połączeniu z wysoką przenikalnością tego promieniowania przez tkankę żywą otwiera niesamowite wprost możliwości diagnostyczne. Pozwala również na stosowanie nowoczesnych metod terapii o minimalnym stopniu inwazyjności jak aktywacja specyficznych związków chemicznych, tzw. nanoplatform, wprowadzonych do określonych tkanek, np. do guzów nowotworowych. Koncepcja ta zakłada, że dedykowane nanoplatformy byłyby wprowadzane do organizmu człowieka a następnie, dzięki odpowiednio dobranych właściwościom chemicznym odkładały się w zaadresowanych, chorych tkankach. Promieniowanie generowane przez laser na swobodnych elektronach dostrajane byłoby do aktywatorów wbudowanych w nanoplatformę (najprawdopodobniej rolę aktywatorów pełniłyby pierwiastki o dużych masach atomowych jak ind, jod, gadolin, złoto czy platyna). Promieniowanie generowane przez laser wzbudzałoby atomy aktywatorów, co prowadziłoby do wyzwalania niskoenergetycznych elektronów, i wtórnego promieniowania niszczącego tkankę nowotworową. Metoda mogłaby również posłużyć do wysokorozdzielczego obrazowania tkanek. Unikalne własności promieniowania wytwarzanego przez lasery na swobodnych elektronach pozwalają również na całkiem nowe zastosowania w medycynie, możliwe jest np. takie dostrojenie długości fali promieniowania tak, aby uzyskać selektywne, bezpośrednie niszczenie chorych komórek przy minimalnym uszkodzeniu otaczającej, zdrowej tkanki. Prowadzone są np. prace nad zastosowaniem lasera na swobodnych elektronach do chirurgii otolaryngologicznej. Nawet nieznaczne uszkodzenia strun głosowych mogą prowadzić do nieodwracalnej utraty głosu. Chirurgia laserowa oparta na FEL minimalizuje to ryzyko a nawet umożliwi usunięcie uszkodzeń (np. blizn) powstałych w wyniku operacji. 16

2.5 Określenie popytu na wykorzystanie lasera POLFEL 2.5.1 Potencjalni użytkownicy POLFEL w Polsce Jak widać z powyższej analizy badania na laserach FEL są naturalną kontynuacją badań prowadzonych na synchrotronach. Dlatego jako pierwsze podejmują je zwykle te same instytucje a nawet ci sami badacze. W Polsce środowisko naukowców wykorzystujących promieniowanie synchrotronowe jest liczne i ma duże sukcesy. Jest też dobrze zorganizowane w ramach Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego. Już obecnie bardzo aktywnie włącza się w badania przy laserze FLASH w Hamburgu. Istniejący potencjał intelektualny i bogate doświadczenia polskich naukowców można by znacznie lepiej wykorzystać, gdyby w Polsce istniała odpowiednia infrastruktura badawcza. Od dawna planowana jest budowa Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego w Krakowie. Jego uruchomienie z pewnością kilkukrotnie zwiększyłoby liczbę badaczy w tej dziedzinie, jak to miało miejsce we wszystkich krajach gdzie wybudowano synchrotrony. Posiadając synchrotron oraz laser na swobodnych elektronach, Polska stała by się jednym z głównych krajów, rozwijających badania materii za pomocą intensywnych źródeł światła nie tylko w Europie ale i w Świecie. Realizacja projektów byłaby powszechnie oczekiwanym widocznym krokiem w modernizacji kraju i rozwoju nauki w Polsce. Już dziś istnieje w Polsce duże zainteresowanie badaniami przy użyciu laserów FEL. Polska staje się istotnym partnerem w budowie rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach XFEL w Hamburgu. 30.01.2007 powołano konsorcjum instytucji zainteresowanych budową i eksploatacją tego urządzenia. Do konsorcjum XFEL-Polska przystąpiły: Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie, Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie, Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk w Warszawie, Wydział Mechaniczno-Energetyczny Politechniki Wrocławskiej, Wrocławski Park Technologiczny, Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku, Politechnika Warszawska, Instytut Tele-Radiotechniczny w Warszawie, Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie, Politechnika Łódzka, Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie, Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie, Politechnika Szczecińska, Firma PREVAC sp. z o.o. w Rogowie (Technika Precyzyjna i Próżniowa), Instytut Technologii Elektronowej w Warszawie, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Koordynatorem konsorcjum jest Instytut Problemów Jądrowych. 2.5.2 Potencjalni użytkownicy POLFEL w Europie POLFEL planowany jest jako element rozproszonej infrastruktury badawczej IRUVX FEL Network będącej jednym z elementów listy ESFRI. Jest to sieć laserów na swobodnych elektronach o komplementarnych parametrach, stanowiąca istotny element Europejskiej Przestrzeni Badawczej. 17

Dzięki udziałowi w konsorcjum EuroFEL (nowa nazwa konsorcjum IRUVX), wykonawcy POLFEL będą mogli korzystać z wyników prac rozwojowych i projektowych wszystkich członków tej sieci. Konsorcjum EuroFEL zapewnia także integrację europejskiego środowiska użytkowników laserów na swobodnych elektronach. Dzięki temu z POLFELa korzystać będą badacze z całej Europy, a polscy naukowcy uzyskają dostęp do innych laserów sieci EuroFEL. Niebagatelne znaczenie ma fakt, że POLFEL będzie najbardziej na wschód Europy wysuniętym urządzeniem tego typu jedynym wśród nowych członków Unii. Należy się spodziewać, że szczególnie chętnie korzystać będą z niego naukowcy z centralnej i wschodniej Europy, a także nasi wschodni sąsiedzi. Realizacja projektu wpomóc może cel zasadniczy ESFRI, którym jest wypracowanie długoterminowej, skoordynowanej na poziomie europejskim, polityki dotyczącej dużych projektów i urządzeń infrastruktury badawczej. 2.5.3 Statystyka użytkowania lasera FLASH Zapotrzebowanie na czas pomiarowy przy projektowanym laserze POLFEL może być określone na podstawie istniejącego w DESY źródła FLASH stanowiącego odniesienie przy projektowaniu polskiego lasera. W analizie wykorzystano dane na temat zapotrzebowania na różne parametry wiązki według danych z FLASH z okresu od uruchomienia w 2005 do czerwca 2008. Laser FLASH w Deutsches Elektronen-Synchrotron pracuje w zakresie podstawowej długości fali od 48 nm do 7 nm. Przy wykorzystaniu 5 harmonicznej najkrótsza używana w doświadczeniach długość fali wynosi 1,6 nm.(energia fotonu 780 ev). Jest to cenne rozszerzenie w dół zakresu długości fali, ponieważ umożliwia pomiary rozpraszania magnetycznego dla metali przejściowych do krawędzi L 3 kobaltu włącznie. Największe zapotrzebowanie odnotowuje się na wiązkę długości fali 13,5 nm ± 0,5 nm. Jest to związane z dostępnością zwierciadeł wielowarstwowych dla tej długości fali. Kolejny pożądany zakres długości fali to 25 nm 32 nm. FLASH na początku funkcjonowania nie oferował fali krótszej niż 32 nm, stąd chcąc wykorzystywać najkrótszą możliwą długość fali, wiele projektów dostosowano do tej długości. Obecnie te projekty są kontynuowane nadal wykorzystując tą samą długość fali. Dane zebrane na podstawie konkursu projektów na lata 2008 2009 w zależności od pożądanej długości fali generowanej przez FLASH są przedstawione w Tabela 3. Jedna zmiana pomiarowa trwa 12 godzin. Tabela 3. Czas pracy lasera FLASH dla różnych długości fali w latach 2008-2009. λ czas pomiarowy % całości czasu pomiarowego <10 nm 53 zmiany 33% 10-20 nm 73 zmiany, w tym dla 64 zmian proszono o długość fali 13,5±0,5 nm 46% 20-30 nm 19 zmian 11% >30 nm 15 zmian 10% Ilości projektów wykorzystujących pojedynczy impuls powtarzany z częstością 1 Hz jest zbliżona do tych, gdzie wykorzystuje się wiele impulsów w seriach powtarzanych z częstotliwością 5 Hz. Obecnie możliwych jest do 200 impulsów w serii, serie powtarzane są z częstością 1 Hz lub 5 Hz. 18

2.5.3.1 Struktura czasowa wiązki fotonowej Struktura czasowa pracy źródła FLASH (Rys. 1) jest wyznaczona przez parametry akceleratora liniowego elektronów: czas trwania impulsu mikrofalowego i częstotliwość powtarzania lasera wzbudzającego fotokatodę. W czasie trwania impulsu mikrofalowego, impulsy światła lasera wzbudzającego fotokatodę powodują emisje pojedynczych zgęstków elektronowych, które po akceleracji emitują impulsy światła FEL. Rys. 1. Struktura czasowa emisji FEL, przedstawiono parametry czasowe typowe dla źródła FLASH. W okresie 2008 2009 wykorzystywano : Mod jednoimpulsowy Mod wieloimpulsowy 82 zmian 77 zmian Mod jednoimpulsowy wykorzystywany jest do następujących doświadczeń: Obrazowanie (rozpraszanie, dyfrakcja) Badania progu zniszczeń dla maksymalnej gęstości energii na powierzchni próbki Doświadczenia typu pompa sonda w połączeniu z laserem optycznym Mod wieloimpulsowy wykorzystywany jest do: Obrazowania w sytuacji, gdy dozowanie próbki nie jest zsynchronizowane z pracą FLASH. Potrzebna jest wtedy najwyższa dostępna częstość powtarzania Spektroskopii dla układów rozrzedzonych, silnie naładowanych jonów lub małych cząsteczek. Duża częstość powtarzania poprawia statystykę pomiarową. Dla eksperymentów z detekcją czasu przelotu optymalny odstęp pomiędzy impulsami to 10 µs. Ta wartość daje maksymalną statystykę, dalszy wzrost ilości impulsów poprzez skrócenie odstępu czasowego pomiędzy nimi uniemożliwia pomiar czasu przelotu cząsteczek, ponieważ jest on krótszy od czasu przerwy pomiędzy impulsami. Czas przelotu od próbki do detektora jest rzędu mikrosekund. Krótsze odstępy czasowe 4 µs, 2 µs i 1 µs odpowiadające 250 khz, 500 khz i 1 MHz mogą być wykorzystywane przy pomiarach z szybkim odczytem. W ogólności skrócenie odstępu miedzy impulsami jest pożądane gdy nie zakłóca pomiaru i pozwala na zwiększenie liczby zarejestrowanych w doświadczeniu fotonów Fala ciągła w.cz. lub impulsy rzędu setek milisekund W tym trybie pracy seria jest nieskończenie długa, o strukturze czasowej decyduje częstotliwość powtarzania pojedynczych impulsów, która może dochodzić do 1 MHz. Emisja wielu impulsów z wysoką częstotliwością jest potrzebna w doświadczeniach, w których istotna jest wysoka liczba zliczeń. w modzie pracy fali ciągłej można w sposób dowolny kształtować wzór czasowy powtarzania impulsów. Przy szybkim taktowaniu należy zwrócić uwagę konieczność zapewnienia szybkiego odczytu danych z detektora i dużą objętość zajmowanej przez nie pamięci. Należy zauważyć, że urządzenia pracujące w modzie ciągłym, jak postulowany laser POLFEL, mogą też pracować w dowolnym modzie impulsowym, ale nie odwrotnie. 19

2.5.3.2 Zapotrzebowanie na dodatkowe urządzenia w układzie doświadczalnym: Laser optyczny zsynchronizowany z FEL Około 50 % procent projektów przewiduje wykorzystane lasera optycznego o energii impulsu 25 mj i częstości powtarzani 5 Hz. Są to przede wszystkim doświadczenia, w których wytwarza się plazmę i bada efekty silnego pola. Szybka przesłona i czoper obrotowy Szybka przesłona umożliwia modyfikację struktury czasowej impulsów narzuconą parametrami pracy akceleratora. Dla zapewnienia odstępu czasu pomiędzy impulsami koniecznego do przygotowania kolejnego pomiaru, często konieczne jest przepuszczanie pojedynczych impulsów powtarzających się z częstotliwością poniżej 1 Hz. Pochłaniacz wiązki fotonów Jest potrzebny do regulacji natężenia wiązki i wykorzystywany, gdy pożądane jest niskie natężenie światła np. po to, aby nie zniszczyć próbki. Filtry W miarę wzrostu ilości doświadczeń wykorzystujących światło o harmonicznych długościach fali, coraz istotniejsze jest stosowanie filtrów do pochłonięcia światła o podstawowej długości fali aby nie zakłócać pożądanej obserwacji. Rozdzielanie i opóźnianie wiązki W pomiarach typu pompa sonda wykorzystujących w obydwóch rolach impulsy FEL konieczne jest rozdzielenie impulsu w pożądanym stosunku intensywności oraz kontrolowane opóźnienie jednego impulsu względem drugiego. 2.5.3.3 Wykorzystanie możliwości pomiarowych na źródle FLASH Czas pomiarowy, o który wnioskują autorzy projektów ponad trzykrotnie przekracza możliwości źródła FLASH (Tabela 4). Największy niedobór czasu widoczny jest w fizyce plazmy, ciała stałego i w doświadczeniach nad izolowanym atomami. w każdej edycji konkursu projektów 1/3 wnioskujących stanowią nowi użytkownicy. Dla najlepszego wykorzystania czasu pomiarowego dostępnego na liniach pomiarowych FLASH dąży się do grupowania użytkowników. Tabela 4. Czas pracy lasera FLASH poświęcony różnym dziedzinom badań. Tematyka wnioskowano o przydzielono Doświadczenia z pojedynczymi cząsteczkami atomami, molekułami 247 zmian 61 zmian Doświadczenia z klastrami atomów lub molekuł 71 zmian 36 zmian Obrazowanie dyfrakcyjne 90 zmian 53 zmian Fizyka plazmy i gorącej materii 194 zmian 56 zmian Fizyka ciała stałego i powierzchni 214 zmian 46 zmian Technologia 157 zmian 64 zmian Doświadczenia FLASH jednoznacznie wskazują na duże zapotrzebowanie środowiska naukowego na prowadzenie doświadczeń wykorzystujących światło lasera na swobodnych elektronach. 20