Urýchľovač častíc XFEL a jeho význam pre materiálové inžinierstvo

Projekt XFEL je jeden z najväčších projektov Európskej únie. Po svojom dokončení a úspešnom spustení bude XFEL svetovo unikátne zariadenie pre špičkový vedecký výskum pri maximálnom rozlíšení a intenzitách. Bez preháňania sa dá povedať, že XFEL bude najvýkonnejší a najflexibilnejší mikroskop na svete, ktorý posunie hranice ľudského poznania o niekoľko krokov vpred. (Pozn.: viac obrázkov a textu nájdeš v pdf prílohe na konci).
 
1. Niečo o projekte XFEL
Zariadenie XFEL technologicky vychádza z doterajšieho lineárneho urýchľovača FLASH, ktorý je taktiež situovaný v centre DESY. Práve FLASH sa stal akýmsi pilotným programom pre cieľový projekt XFEL. Po overení a potvrdení dôležitých fyzikálnych javov a konštrukčných prvkov na spomínanom zariadení sa mohla 8. januára 2009 spustiť očakávaná výstavba pôvodne plánovaného synchrotrónového lineárneho urýchľovača XFEL (X – ray Free – Electron Laser) štvrtej generácie. Skúšobné uvedenie do prevádzky je naplánované na rok 2014 a definitívne by mal byť XFEL dostupný pre užívateľov v roku 2015.
 
Do projektu XFEL je zapojených 14 krajín: Nemecko, Veľká Británia, Švajčiarsko, Švédsko, Čína, Španielsko, Rusko, Slovensko, Francúzsko, Poľsko, Maďarsko, Taliansko, Dánsko a Grécko. Celkové náklady na výstavbu XFEL zariadenia sa predbežne odhadujú na 1,086 mld. euro. Z toho najväčšiu časť hradí Nemecko. Slovenská Republika je zmluvne zaviazaná podieľať sa každoročne na financovaní jedným percentom.
 
2. Technické parametre XFELu
Ako už bolo naznačené, XFEL je konštruovaný ako supravodivý lineárny urýchľovač, s celkovou dĺžkou 3,4 km. Z toho urýchľovacia časť bude zaberať 2,1 km, za ňou nasledujúca undulátorová časť si vyžiada 1,2 km a zvyšok bude tvoriť experimentálna hala s desiatimi stanovišťami na piatich fotónových vetvách a celkovou plochou približne 4500 m2. Celý urýchľovač bude uložený v hĺbke 6 až 38 m pod úrovňou zeme (obr. 1).
 
Obr. 1: Schematický náčrt injektora elektrónov (vpravo), v strede sú priestory na prístup k urýchľovaču, a vľavo je modulátorová hala slúžiaca na generovanie elektromagnetických pulzov potrebných na urýchlenie elektrónov. Budovy nad zemou obsahujú chladiace zariadenia, ktoré udržiavajú urýchľovaciu časť na teplote 4,2K. (prevzaté z [1]).
 
Plánovaná energia urýchleného elektrónového zväzku je na výstupe urýchľovača rovných 20 GeV. To umožní získať fotónové žiarenie s vlnovou dĺžkou od 0,01 do 1,6 nm. Získané RTG žiarenie sa bude vyznačovať širokým a spojitým energetickým spektrom, ktoré bude vysoko kolimované s malou divergenciou na úrovni laserových lúčov, silne polarizované a emitované vo veľmi krátkych pulzoch. Doba trvania jedného pulzu bude menej ako 100 fs. Jeden pulz bude pritom obsahovať minimálne 109 elektrónov a časová vzdialenosť medzi jednotlivými pulzmi bude 200 ns. To znamená približne 30 000 pulzov za 1 sekundu. Dôležitou charakteristikou bude vysoká intenzita synchrotrónového žiarenia, ktorá sa udáva veličinou Brilliance. Jej hodnota dosiahne 5.1033 [fotón/s/mm2/mrad2/0,1%], čím rádovo o 1012 prevýši doteraz známe najvýkonnejšie zdroje RTG žiarenia. Dôležitým parametrom bude aj priemer zväzku elektrónov, ktorý sa bude pohybovať na úrovni rádovo v jednotkách nanometrov [2]. 
 
3. Stručný princíp činnosti XFELu 
S vynechaním detailných informácii možno princíp činnosti XFELu opísať nasledovne. Celý proces získavania extrémne tvrdého RTG žiarenia začína v injektore, ktorého dĺžka je 66 m. V ňom sú voľné elektróny generované ožarovaním Cs2Te katódy ultrafialovým laserom. Tieto elektróny sú okamžite vyvedené a fokusované elektrickým poľom do sústavy prvých rádiofrekvenčných kavít s gradientom 40 MV/m, ktoré im udelia výstupnú energiu približne 120 MeV. Elektróny následne putujú do 2,1 km dlhej sústavy 101 modulov. Každý z modulov pritom obsahuje niekoľko supravodivých rádiofrekvenčných nióbových kavít (obr. 2) s gradientom 23,6 MV/m, chladených na teplotu 2 až 4,2K. V tejto časti sú elektróny opäť elektrickým poľom urychľované na rýchlosť 99 % z rýchlosti svetla a energiu 20 GeV. Súčasťou urýchľovacej časti sú okrem iného príslušenstva aj magnety, ktoré majú za úlohu fokusovať zväzok elektrónov na požadovanú hodnotu.
 
Obr. 2: Supravodivá kavita v urýchľovacej časti lineárneho urýchľovača a názorne naznačený jeden elektrón [1].
 
Po urýchlení postupujú elektróny do undulátorovej časti. Tá je koncipovaná ako sústava tvrdých magnetov s alternujúco usporiadanými pólmi (obr. 3). Rozdeľuje sa na 5 vetiev podľa toho, aké parametre od žiarenia vyžadujeme. Elektróny sú v undulátore postupne vychyľované z jednej strany na druhú v dôsledku striedania magnetických pólov. Podľa zákona zachovania energie sa každá zmena hybnosti elektrónu následne prejaví vyžiarením fotónu. Emitované synchrotrónové žiarenie však ešte stále nemá očakávanú intenzitu. Tú získa až tzv. SASE efektom (Self – Amplified Spontaneous Emission). Vyžiarené fotóny interagujú s elektrónmi v tom istom mraku, a to takým spôsobom, že tie elektróny, ktoré sú vo fáze so žiarením sú brzdené, zatiaľ čo tie, ktoré majú opačnú fázu sú urýchlené. Týmto spôsobom dochádza k postupnému usporiadaniu elektrónov v objeme celého mraku, ktorý sa už následne správa koherentne a intenzita žiarenia takéhoto objektu je o niekoľko rádov vyššia ako pôvodného, pred vstupom do undulátora.
Obr. 3: Schematicky znázornená undulátorová časť. Modrá čiara reprezentuje trajektóriu elektrónov a žltá trajektóriu vznikajúceho RTG žiarenia [1].
 
4. Čo nám XFEL prinesie vo všeobecnosti
Na základe predbežných experimentov na pilotnom zariadení FLASH sa už dnes dajú predikovať nesmierne dosahy XFELu na rôzne vedné disciplíny. Najväčší prínos sa samozrejme predpokladá vo fyzike a jej odvetviach, predovšetkým vo fyzike tuhých látok a fyzike plazmy. Nemalý rozvoj môže zažiť aj chémia. Vďaka žiareniu s dobou pulzu pod 100 fs bude po prvý krát možné priamo sledovať chemické procesy, napr. reakciu dvoch samostatných molekúl. Prevratné objavy môžeme očakávať v oblasti biológie. Prvý krát v histórii ľudstva bude možné aspoň po dobu jedného pulzu priamo sledovať žijúcu bunku organizmov. Rovnaký pokrok nastane aj pri štúdiu vírusov, alebo molekulárnych komplexov bez potreby ich kryštalizácie. S tým je úzko spätý rozvoj farmakológie smerom k účinnejším liečivám a zdokonaľovanie medicínskych metodík a zákrokov. Veľké rozšírenie poznatkov predpokladá aj genetika. Budeme môcť spoznať skutočný tvar DNA reťazca. Spomenúť treba aj elektroinžinierstvo, predovšetkým optoelektoniku. Už teraz sa počíta s XFELom pri vývoji nových slnečných kolektorov, alebo nových typov prenosných batérii. To sú len niektoré vedné disciplíny, pre ktoré bude XFEL mimoriadnym prínosom. 
 
5. Význam pre materiálové inžinierstvo 
Pre materiálové inžinierstvo bude predstavovať XFEL výskumný nástroj doposiaľ nedosiahnuteľných možností. Otvárajú sa tak dvere pre dokonalejšie RTG difrakčné techniky, sledovanie fázových transformácii, presnejšie spektroskopické metódy, fázové analýzy, lepšie zviditeľnenie subštruktúry, alebo výskum nanoštrukturovaných a nanočasticových materiálov, a pod.. To všetko samozrejme na atomárnej úrovni a metódou in – situ. Zároveň však treba jedným dychom dodať, že všetky možnosti, ktoré budú XFELom poskytované, sa ešte zatiaľ nedajú odhadnúť. Z už známych prínosov pre materiálové inžinierstvo možno spomenúť aspoň niektoré:

RTG difrakcia – Pulzy extrémne tvrdého RTG žiarenia produkovaného XFELom budú približne 1000 krát kratšie a budú obsahovať 100 krát viac fotónov, než je tomu u dnešných synchrotrónov. Na základe týchto ukazovateľov môžeme v prípade XFELu hovoriť už o femtosekundových difrakčných technikách, ktoré vždy boli nedosiahnuteľným snom pre vedu. Konečne budeme môcť zachytiť a zaznamenať detailné informácie o rozvoji štruktúr rôznych materiálov, taktiež procesy, ktoré sa odohrávajú na medziatómovej úrovni, ultrakrátke excitované stavy, a pod. Vďaka okamžitému konvertovaniu difrakčného záznamu na reálny 3D obrazový záznam budeme mať jasnú predstavu o tom, ako a čo v pozorovanej vzorke skutočne prebieha. Femtosekundová difrakcia sa tak stane revolučnou technikou spoznávania. K tomu je treba pripočítať výhodu použitia masívnejších vzoriek na štandardné RTG difrakčné analýzy ako doposiaľ. Naznačuje to menšia vlnová dĺžka a väčšia energia žiarenia.

RTG holografia – Najlepšie zariadenia súčasnosti pre túto techniku sú schopné zobrazovať útvary a častice s minimálnou veľkosťou 50 nm. Predpokladom u XFELu budú častice s rozmerom okolo 1 nm. To napomôže k odhaleniu alebo potvrdeniu niektorých magnetických charakteristík materiálov, napríklad antiferomagnetizmu. S väčšou presnosťou a jemnosťou môžeme tiež očakávať zobrazovanie magnetických domén.
 
Nanomateriály – Kam až budú siahať príspevky XFELu v tejto oblasti je dnes ťažko predikovať. Zatiaľ je však isté to, že na rozdiel od súčasného poznávania vlastností nanočastíc, kedy musíme vychádzať z kolektívneho prejavu ich veľkej skupiny, po novom si budeme môcť dovoliť študovať len jednu nanočasticu samostatne. V jednej nanočastici tak môžeme spoznať presné rozloženie atómov v objeme, stupeň ich usporiadania, kryštalografiu alebo iné štrukturálne charakteristiky. Taktiež budeme môcť študovať jej fyzikálne, prípadne iné vlastnosti. Zaujímavé bude aj štúdium adsorpčných javov rôznych organických molekúl na povrchu nanočastíc. V súčasnosti nemožný hlbší výskum tzv. Quantum Dots štruktúr zažije vďaka XFELu výrazný pokrok. Jedná sa hlavne o polovodičové materiály s využitím v počítačovej mikroelektronike. Súčasná transmisná elektrónová a rastrovacia tunelovacia mikroskopia sú pre svoj deštruktívny účinok voči týmto vzorkám na tento účel nepoužiteľné.

Spektroskopické metódy – Príspevok XFELu ku spektroskopickým metódam spočíva v zdokonalení RTG fotónovej korelačnej spektroskopie, ako nástroja na štúdium nanorozmerových dynamických systémov. Zdokonalenie tejto metodiky XFELom spočíva v posunutí „citlivosti“ na vlnové dĺžky pod 10 nm a frekvencie až 1013 Hz. Budeme mať možnosť sledovať dynamiku atómov pri prechode skiel z taveniny do tuhej fázy. Podobne aj pri kryštalizácii kovov. V oblasti fonónovej spektroskopie bude možné zostaviť mapy náhodných termálnych fluktuácii štruktúr. Taktiež je predpoklad možnosti zaznamenať dynamiku silných akustických fonónov (zatiaľ len extrémne silných). Cez metódu fonónovej spektroskopie bude umožnený výskum povrchových štruktúr a javov kvapalných kovov (ortuť), alebo tavenín iných kovov.

Trojrozmerná štruktúrna charakterizácia – monochromatické žiarenie XFELu nám umožní študovať a vizualizovať rôzne častice materiálov metódou mikrotomografie, či dokonca až nanotomografie. Častice alebo fázy sa budú dať zobraziť trojrozmerne a v aktuálnej objemovej distribúcii. V prípade potreby bude možné aj súčasne zobrazenie kvalitatívne rôznorodých častíc, napriek tomu, že majú rozdielny absorbčný koeficient. Do úvahy pripadá aj tomografia využívajúca efekt absorbčných hrán atómov, čím sa môžu zviditeľniť len vybrané častice bez rušivých vplyvov rôznych artefaktov [3].

Dynamické procesy – Hlavne v tejto oblasti výskumu materiálov sa očakávajú významné objavy a značné rozšírenie súčasných poznatok. Vďaka malouhlovému rozptylu RTG žiarenia bude možné sledovať in – situ také procesy ako spekanie práškov, rezanie materiálov, procesy tvorby dutín, pórov a rozmanitých štruktúr pri zváraní. Konečne bude možné odpovedať na otázku, ako sa v skutočnosti tvoria zložité dislokačné štruktúry z jednotlivých dislokácií, ako sa realizuje pohyb dislokácií, vakancií, chýb vrstvenia a čo všetko nastáva pri deformácii zŕn polykryštálu. Dokonca aj tak rýchle procesy ako sú rozvoj a šírenie krehkého lomu, či deformácia materiálov tlakovými vlnami budú pozorovateľné v reálnom čase. Veľké očakávania sú v oblasti fázových transformácii. Po prvý krát bude možné priamo sledovať a zaznamenať nukleáciu martenzitu, bainitu, alebo iných štruktúr. Takisto iniciačné procesy rekryštalizácie, segregácie alebo precipitácie. Ohrevom alebo ochladzovaním sa dajú nasimulovať podmienky tepelného spracovania materiálov a pozorovať pri tom nukleáciu a rast zŕn, tvorbu textúry a hyperštruktúr alebo difúziu jednotlivých komponentov. Navyše, s XFELom sa otvára nový spôsob manipulácie s materiálmi, tzv. fotoindukcia fázových transformácii s možnosťou ultrarýchleho prechodu z jednej fázy na druhú a späť. Nie sú tu však obmedzenia iba na fázové transformácie v tuhom stave. Obsiahnuté budú aj skupenské premeny látok.

Fázová analýza – Už synchrotróny tretej generácie s veľkým náskokom prekonávali všetky ostatné techniky detekcie a identifikácie fáz v tuhých látkach, vrátane často používanej elektrónovej mikroskopie. Nie je preto prekvapením, že XFELovské žiarenie ovplyvní aj túto oblasť výskumu materiálov a ešte mohutnejšie pozdvihne pomyselnú latku nastavenú synchrotrónmi predchádzajúcej generácie.

Analýza napäťových polí – Vďaka nízkej absorpcii vysokoenergetických fotónov bude možné „presvietiť“ väčšiu hrúbku materiálu a pomocou difrakčných techník, ktoré poznáme budeme môcť vykonať napäťovú analýzu po celom objeme vzorky. Sledovať bude možné aj rozvoj napäťových oblastí, napr. pri deformácii, fázových transformáciách, zváraní alebo creepe materiálov.

Trenie – Ak chceme pochopiť skutočnú podstatu trenia a opotrebovania materiálov s tým spojeného, musíme porozumieť tomuto princípu na atomárnej úrovni. Taktiež interakcia materiálu s mazivom môže byť pomerne chúlostivá. Rozhodujúce procesy sa v týchto prípadoch odohrávajú v objemoch niekoľkých desiatok atómových rovín. Súčasné zdroje však nie sú dostatočne citlivé na to, aby zaznamenali počiatky a pravé príčiny týchto javov. Umožní nám to až XFEL [4].

Väčšinu z experimentálnych techník bude možné vykonávať aj za neštandardných podmienok. Aplikovateľné budú vysoké alebo nízke teploty, ohrev alebo ochladzovanie vzorky počas pozorovania alebo vysoké tlaky na úrovni GPa. Tiež môžeme počítať so štúdiom vzoriek v elektromagnetických alebo magnetických poliach.
 
Použitá literatúra
 
[1] www.xfel.eu
[2] XFEL – Technical Design Report, DESY, 2006, NSR.
[3] REIMERS W. et al.: Neutrons and Synchrotron radiation in engineering materials science. Wiley-vch, Darmstadt, 2008, ISBN 978-3-527-31533-8.
[4] SAKSL K.: Zdroj žiarenia budúcnosti. In Quark. September 2005.