Laser Sinar-X SHINE China Mencapai Cahaya Pertama, Shanghai Sasarkan Pembukaan pada 2027

Pancaran 4 GeV membawa projek utama Shanghai selangkah lebih dekat kepada operasi

Fasiliti penyelidikan SHINE China di Shanghai telah menghasilkan cahaya laser elektron bebas pertamanya menggunakan pancaran elektron pada 4 gigaelektronvolt (GeV), separuh daripada tenaga yang dirancang untuk pemecut yang siap kelak. Universiti ShanghaiTech mengumumkan pencapaian itu pada 21 Oktober, menandakan langkah besar ke arah sasaran projek untuk disiapkan dan mula beroperasi menjelang akhir 2027.

Cahaya pertama itu dijana menggunakan 18 modul undulator, setiap satunya sepanjang 4 meter dan mengandungi corak magnet yang berulang setiap 55 milimeter. Secara keseluruhan, modul-modul itu menyediakan struktur magnet sepanjang 72 meter yang mengemudi elektron pantas melalui laluan berliku, lalu menyebabkan elektron memancarkan cahaya yang bergabung menjadi denyutan laser berkeamatan tinggi.

SHINE, singkatan bagi Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility, direka untuk membantu saintis mengkaji struktur pada skala nanometer dan perubahan yang berlangsung selama femtosaat. Satu nanometer ialah satu per bilion meter; satu femtosaat ialah satu per sejuta daripada satu per bilion saat. Skala ini membolehkan penyelidik mengkaji struktur kecil dan pergerakan pantas atom serta molekul.

Pembinaan bermula pada April 2018. Apabila siap, pemecut linear superkonduktor itu dijangka mencapai 8 GeV, dengan beberapa mod operasi menghasilkan sehingga satu juta denyutan sinar-X sesaat. Dua talian undulator pertama dijangka meliputi tenaga foton daripada 0.2 hingga 15 kiloelektronvolt (keV).

Pencapaian terdekat ini ialah penghasilan cahaya laser semasa pentauliahan, iaitu proses menyediakan peralatan supaya berfungsi dan memeriksa prestasinya. Eksperimen rutin untuk penyelidik jemputan masih menjadi sebahagian daripada peralihan operasi yang dirancang pada 2027. ShanghaiTech belum mengumumkan tarikh pembukaan tepat atau jadual permohonan bagi penyelidik.

Bagaimana elektron bergerak menghasilkan laser sinar-X

SHINE bermula dengan elektron, bukannya bahan penghasil cahaya yang terdapat dalam banyak laser biasa. Pemecut linearnya memberikan tenaga kepada elektron itu, kemudian menghantarnya melalui undulator, tempat medan magnet berselang-seli menggerakkan elektron ke kiri dan kanan lalu memancarkan sinaran.

Elektron dan sinaran berinteraksi ketika bergerak melalui modul-modul berturutan. Dalam keadaan yang sesuai, elektron tersusun menjadi kumpulan-kumpulan kecil yang memancar serentak, lalu menguatkan cahaya menjadi denyutan berkuasa tinggi. Tenaga elektron dan jarak antara struktur magnet membantu menentukan tenaga foton yang terhasil, iaitu zarah individu yang membentuk cahaya.

Angka 4 GeV merujuk kepada pancaran elektron yang digunakan untuk menghasilkan cahaya pertama. Julat 0.2 hingga 15 keV pula merujuk kepada foton yang dijangka daripada dua talian pertama. Ukuran ini merangkumi bahagian mesin yang berbeza: GeV di sini merujuk kepada zarah yang menggerakkan proses, manakala keV merujuk kepada sinar-X yang digunakan dalam eksperimen.

SHINE menggunakan pemecut superkonduktor gelombang berterusan. Komponen superkonduktor beroperasi pada suhu yang sangat rendah dan mengalirkan arus elektrik dengan rintangan yang amat kecil. Operasi gelombang berterusan membolehkan medan frekuensi radio pemecut beroperasi secara berterusan, menyokong kelompok elektron yang kerap dan bukan bergantung pada denyutan yang jaraknya berjauhan.

Tiga talian pancaran dengan julat tenaga berbeza

Fasa pertama yang lebih luas merangkumi lebih banyak peralatan daripada yang digunakan untuk pencapaian cahaya pertama. Kertas kemajuan projek 2024, yang dibentangkan di Persidangan Pemecut Zarah Antarabangsa, menerangkan tiga talian undulator, tiga talian pengangkutan sinar-X dan 10 stesen eksperimen, dengan julat tenaga foton asas 0.4 hingga 25 keV.

FEL-I direka untuk 3 hingga 15 keV, FEL-II untuk 0.4 hingga 3 keV, dan FEL-III untuk 10 hingga 25 keV. FEL-II menghasilkan sinar-X dengan tenaga paling rendah, atau paling lembut. Dua talian yang lain menghasilkan sinar-X lebih keras, yang mempunyai tenaga foton lebih tinggi dan panjang gelombang lebih pendek.

Julat 0.2 hingga 15 keV dalam pengumuman terkini melibatkan dua talian pertama. Julat asas yang lebih luas, iaitu 0.4 hingga 25 keV, merangkumi FEL-III. Kertas 2024 itu turut menerangkan laluan pintas tambahan yang akan menghantar pancaran elektron 5 GeV ke FEL-II, sekali gus meluaskan keluaran minimumnya kepada 0.2 keV.

Kertas yang sama menyatakan bahawa FEL-I mempunyai 42 undulator satah dan FEL-II mempunyai 32, selain empat undulator hiliran yang boleh melaraskan polarisasi, iaitu arah ayunan medan elektrik cahaya. 18 modul yang digunakan untuk cahaya pertama mewakili satu konfigurasi pentauliahan dalam pemasangan lebih besar yang dirancang ini.

Prestasi juga berbeza mengikut talian. Reka bentuk itu menetapkan tempoh denyutan sekitar 30 femtosaat dan kadar ulangan sehingga 1 MHz bagi FEL-I dan FEL-II, bersamaan satu juta denyutan sesaat. Kajian teknikal 2023 menyatakan FEL-III boleh mencapai sehingga 0.1 MHz, atau 100,000 denyutan sesaat.

Apa yang boleh dilihat saintis dengan denyutan sesingkat ini

Sains hayat, bahan kuantum dan penyelidikan tenaga masa depan antara kegunaan SHINE yang dirancang. Gabungan skala ruang yang kecil dan pendedahan yang amat singkat menjadi asas kepada matlamat tersebut: penyelidik mahu mengetahui bagaimana jirim tersusun dan bagaimana susunan itu berubah.

Denyutan sinar-X yang singkat boleh merakam satu peringkat dalam proses pantas. Mengulangi eksperimen dengan sela masa berbeza antara permulaan proses dan pengukuran boleh membantu penyelidik menyusun urutan perubahan, seperti bingkai berasingan yang membentuk sebuah filem. Denyutan yang kerap menyediakan lebih banyak peluang untuk mengumpulkan ukuran, yang amat berguna apabila isyarat individu lemah.

Stesen eksperimen awal dirancang untuk menggunakan pengimejan pembelauan koheren, spektroskopi sinar-X ultralaju, pengukuran fotoelektron dan kristalografi femtosaat bersiri. Pengimejan pembelauan membina semula struktur daripada corak yang terbentuk apabila sinar-X tersebar daripada sampel. Spektroskopi mengkaji cara jirim menyerap atau memancarkan sinaran, sekali gus mendedahkan maklumat tentang struktur elektronnya.

Kristalografi femtosaat bersiri mengumpulkan corak pembelauan daripada banyak kristal kecil yang didedahkan kepada denyutan amat singkat. Teknik fotoelektron mengukur elektron yang dibebaskan oleh cahaya, membantu penyelidik mengkaji tingkah laku elektron dalam bahan. Secara bersama, kaedah-kaedah yang dirancang ini memberi SHINE beberapa cara untuk menghubungkan struktur mikroskopik dengan perubahan fizikal atau kimia yang pantas.

Kawalan lebih baik terhadap cahaya itu sendiri

Talian sinar-X lembut SHINE sedang direka untuk menawarkan beberapa mod operasi, bukan hanya satu jenis denyutan. Kajian talian pancaran 2023 yang diterbitkan dalam Frontiers in Physics menghuraikan pancaran spontan swa-penguatan, pembenihan kendiri, pembenihan luaran dan kawalan polarisasi sebagai pilihan asasnya.

Dalam pancaran spontan swa-penguatan, yang lazimnya disingkatkan sebagai SASE, laser terbentuk daripada sinaran awal elektron itu sendiri. Pembenihan pula menggunakan isyarat permulaan yang lebih terkawal. Pembenihan kendiri menapis sebahagian sinaran sinar-X dan menggunakannya untuk memacu penguatan seterusnya; pembenihan luaran bermula dengan laser berasingan. Kaedah-kaedah ini bertujuan menghasilkan cahaya dengan spektrum dan struktur pemasaan yang dikawal dengan lebih tepat.

Kajian itu menghuraikan pemancar sinar-X lembut dengan 32 modul, setiap satunya sepanjang 4 meter dan menggunakan tempoh magnet utama 55 milimeter. Empat belas modul huluan direka dengan tempoh boleh tukar antara 55 dan 75 milimeter. Fleksibiliti itu menyokong keadaan operasi yang berbeza serta teknik menukarkan sinaran laser benih kepada panjang gelombang yang lebih pendek.

Beberapa teknologi berkaitan telah pun diuji di fasiliti Laser Elektron Bebas sinar-X lembut Shanghai yang berasingan, dikenali sebagai SXFEL. Kajian itu merekodkan pengelasan pada harmonik ke-47 dan ke-54 menggunakan penjanaan harmonik berkeupayaan gema, iaitu kaedah yang menyusun elektron supaya memancar pada gandaan frekuensi laser benih. Isyarat pada harmonik ke-61 turut direkodkan.

Monokromator, alat optik yang memilih julat tenaga foton yang sempit, diuji di SXFEL pada akhir 2022. Alat itu mencapai kuasa resolusi melebihi 5,300 pada 520 elektronvolt. Usaha pembangunan ini menyokong matlamat untuk menghasilkan denyutan sinar-X yang dipilih dengan lebih tepat di SHINE. Kajian itu turut membincangkan kemungkinan pada masa depan, termasuk denyutan yang berlangsung selama atto saat, setiap satunya 1,000 kali lebih singkat daripada satu femtosaat.

Laser 100 petawatt untuk keadaan ekstrem

SHINE turut merancang Stesen Cahaya Ekstrem yang akan menggabungkan laser elektron bebasnya dengan laser ultra singkat berkuasa 100 petawatt. Projek itu menyifatkannya sebagai stesen eksperimen pertama di dunia yang menggabungkan laser dengan kuasa sedemikian bersama laser elektron bebas.

Satu petawatt bersamaan satu kuadrilion watt. Angka 100 petawatt merujuk kepada kuasa puncak semasa denyutan yang amat singkat. Pemusatan tenaga dalam sela masa yang begitu singkat menghasilkan medan elektromagnet berkuasa tinggi untuk eksperimen terhadap jirim dalam keadaan ekstrem.

Kertas kemajuan 2024 mengenal pasti elektrodinamik kuantum medan kuat sebagai matlamat penyelidikan stesen itu. Elektrodinamik kuantum menghuraikan cara cahaya berinteraksi dengan zarah bercas elektrik. Medan yang amat kuat membolehkan penyelidik mengkaji interaksi itu dalam keadaan yang jauh melampaui apa yang ditemui dalam eksperimen makmal biasa.

Pemasangan gabungan itu turut dirancang untuk menyokong fizik ketumpatan tenaga tinggi, yang mengkaji jirim dengan sejumlah besar tenaga tertumpu dalam isipadu kecil. Menggabungkan laser optik berkeamatan tinggi dengan prob sinar-X dalam eksperimen yang sama akan membolehkan penyelidik mewujudkan keadaan ekstrem dan mengkaji apa yang berlaku di dalamnya.

Menyelaraskan mesin sepanjang lebih 3 kilometer

SHINE terbentang kira-kira 3.1 kilometer dan dibina sekitar 29 meter di bawah tanah. Skalanya menjadikan pemasaan, kawalan peralatan dan perlindungan pantas sebagai bahagian penting instrumen saintifik itu, bersama pemecut dan magnet.

Kertas mengenai sistem kawalan dalam Nuclear Engineering and Technology menghuraikan sistem yang direka untuk mengawal sehingga 10,000 peranti. Ini termasuk bekalan kuasa, laser, peralatan vakum dan komponen lain yang tersebar di seluruh kompleks pemecut.

Sistem itu menggunakan rangka kerja Sistem Kawalan Fizik Eksperimen dan Industri, dikenali sebagai EPICS, untuk menghubungkan kawalan peralatan dengan antara muka pengendali, pengumpulan data dan pemantauan. Rangkaian pemasaan berasaskan teknologi White Rabbit mengagihkan isyarat jam ke seluruh fasiliti. Sistem pemasaan penyuntik telah dipasang dan berjaya digunakan, dengan isyarat diagihkan pada 1.003086 MHz.

Perlindungan mesin juga merupakan tugas yang mencabar. Reka bentuk itu memantau kira-kira 5,000 isyarat kerosakan dan menggunakan elektronik boleh atur cara untuk mengurangkan atau menghentikan pancaran apabila keadaan peralatan memerlukannya. Kertas itu menyatakan masa tindak balas di bawah satu mikrosaat dalam sesebuah stesen dan di bawah 30 mikrosaat antara stesen. Perlindungan pantas membantu mengehadkan kerosakan jika pancaran berkuasa bergerak di luar keadaan yang ditetapkan.

Ketika kertas itu dikemukakan, hanya penyuntik berfungsi dalam operasi dan sistem kawalan pemecut penuh masih dibangunkan. Pengumuman cahaya pertama selepas itu menandakan peringkat pentauliahan yang lebih lanjut. Penyepaduan pemecut, pengangkutan sinaran, sistem perlindungan dan stesen eksperimen kekal penting dalam peralihan yang dirancang kepada penggunaan saintifik rutin.

Siapa yang membina SHINE dan langkah seterusnya

Universiti ShanghaiTech ialah entiti undang-undang yang bertanggungjawab terhadap pembinaan. Tugasnya termasuk perancangan projek, penyeliaan kejuruteraan, pengurusan kualiti dan keselamatan, serta operasi dan akses terbuka pada masa depan. Universiti itu juga bertanggungjawab terhadap kejuruteraan awam, lima stesen eksperimen dan sebahagian daripada pembinaan talian pancaran.

Institut Penyelidikan Lanjutan Shanghai di bawah Akademi Sains China bertanggungjawab terhadap pemecut, undulator, utiliti dan beberapa talian pancaran. Institut Optik dan Mekanik Halus Shanghai sedang membina stesen talian pancaran fizik foto ekstrem. Pembahagian ini melibatkan beberapa institusi dalam pembinaan pemecut dan peralatan eksperimen, serta operasi untuk pengguna pada masa depan.

Pencapaian projek yang diterbitkan menunjukkan kemajuan daripada pembinaan bawah tanah kepada pentauliahan pancaran:

• April 2018: Pembinaan awam bermula di Shanghai.
• Akhir 2022: Ujian monokromator di SXFEL mencapai kuasa resolusi melebihi 5,300 pada 520 elektronvolt.
• April 2023: Pemasangan penyuntik SHINE bermula.
• Akhir 2023: Semua aci dan terowong telah siap, menurut kertas kemajuan 2024.
• Pengumuman 21 Oktober: ShanghaiTech mendedahkan pencapaian cahaya pertama menggunakan pancaran elektron 4 GeV dan 18 modul undulator.
• Akhir 2027: SHINE menyasarkan siap dan mula beroperasi.

Jadual teknikal terdahulu berubah seiring kemajuan pembinaan. Kajian talian pancaran 2023 menjangkakan pentauliahan FEL-II pada musim bunga 2025. Kertas kemajuan 2024 menyifatkan pengelasan pertama menjelang akhir 2025 sebagai mungkin tetapi mencabar, sementara eksperimen pengguna dijangka bermula pada 2027. Pengumuman terkini menetapkan akhir 2027 sebagai sasaran siap dan operasi.

SHINE digambarkan sebagai salah satu daripada dua fasiliti jenis khusus ini yang menggabungkan denyutan kerap dengan keupayaan laser elektron bebas sinar-X keras. Satu lagi ialah peningkatan tenaga tinggi Linac Coherent Light Source II yang sedang dibina di Amerika Syarikat. Bagi penyelidik, nilai praktikal projek Shanghai itu bergantung pada akses kepada julat tenaga, mod denyutan dan stesen eksperimen yang dirancang selepas pentauliahan selesai.

Perkara Utama

• SHINE mencapai cahaya pertama di Shanghai menggunakan pancaran elektron 4 GeV dan 18 modul undulator.
• Pemecut yang siap kelak direka untuk mencapai 8 GeV, dua kali ganda tenaga elektron yang digunakan dalam pencapaian ini.
• Dua talian pertama dijangka meliputi 0.2 hingga 15 keV; julat asas tiga talian yang lebih luas meliputi sehingga 25 keV.
• Beberapa mod operasi menyasarkan penghasilan satu juta denyutan sinar-X sesaat, dengan tempoh denyutan puluhan femtosaat.
• Fasa pertama merancang 10 stesen eksperimen, termasuk stesen yang menggabungkan sinar-X dengan laser 100 petawatt.
• Universiti ShanghaiTech menerajui projek itu, dengan sasaran siap dan beroperasi menjelang akhir 2027.