PolFEL powstanie! Polski laser na swobodnych elektronach w Świerku uzyskał finansowanie

Data dodania: poniedziałek, 2 lipca 2018, autor: nuclear.pl

Ośrodek Przetwarzania Informacji – Państwowy Instytut Badawczy - Instytucja wdrażająca krajowy program operacyjny finansujący badania, rozwój i innowacje ogłosiła listę zatwierdzonych wniosków o dofinansowanie złożonych w ramach konkursu 2/4.2/2017 w Działaniu 4.2 Rozwój nowoczesnej infrastruktury badawczej sektora nauki” POIR.

Projekt PolFEL - Polski Laser na Swobodnych Elektronach, którego liderem jest NCBJ znalazł się na drugim miejscu i uzyska dofinansowanie na poziomie ponad 118 mln zł. Budowa lasera na swobodnych elektronach proponowana była już od 2007 roku przez ówczesny Instytut Problemów Jądrowych (obecnie NCBJ).

Lasery na swobodnych elektronach (z ang. FEL – Free-Electron Laser) to najbardziej zaawansowane technologicznie urządzenia badawcze współczesnej nauki. Możliwości badania złożonych struktur materii nieożywionej i organizmów żywych oraz badania procesów biologicznych i chemicznych w mikroskali otwierają zupełnie nowe możliwości dla nauki i jej praktycznych zastosowań. Obecnie na świecie pracuje dopiero kilka takich urządzeń, ale budowane i planowane są kolejne.

Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych przygotowali wszystkie założenia do budowy jednego z największych narzędzi badawczych w Europie. Polski laser na swobodnych elektronach wybudowany zostanie z Otwocku-Świerku, gdzie jest nie tylko odpowiednia infrastruktura z wymaganymi systemami bezpieczeństwa ale przede wszystkim zgromadzona została kadra naukowa mająca duże doświadczenie w budowie podobnych urządzeń, m.in. XFELa.

Promieniowanie synchrotronowe jest to promieniowanie elektromagnetyczne emitowane w niewielki kąt bryłowy przez naładowane cząstki poruszające się z prędkością relatywistyczną. Wytwarza się je między innymi w synchrotronach i laserach na swobodnych elektronach, gdzie układy magnesów wpływają na tor ruchu rozpędzonych w akceleratorze cząstek. Urządzenia te należą do obecnie stosowanych głównych źródeł promieniowania elektromagnetycznego wykorzystywanego do celów naukowych. W synchrotronie rozpędzone paczki elektronów są kierowane do pierścienia akumulacyjnego, gdzie poruszają się po zamkniętej orbicie wielokrotnie przechodząc przez wiele umieszczonych na pierścieniu układów magnesów różnego rodzaju. Najprostszym jest dipolowy magnes zakrzywiający. Stosuje się także wigglery i undulatory składające się z naprzemiennie zorientowanych dipoli. Emitowane impulsy promieniowania są przesyłane do układów doświadczalnych umieszczonych wokół pierścienia synchrotronu. W ten sposób wytwarza się wiązki promieniowania z zakresu od poczerwieni do twardego promieniowania rentgenowskiego. Własności źródła i wytwarzanego w nim promieniowania, a przede wszystkim jego rozkład widmowy i jasność zależą od rodzaju i parametrów układu magnesów oraz od rozmiarów przestrzennych, rozmycia energetycznego i pędowego paczki elektronowej w pierścieniu. Laser na swobodnych elektronach jest to urządzenie składające się ze źródła relatywistycznych elektronów i undulatora, wytwarzające spójne promieniowanie synchrotronowe. Jest ono emitowane w impulsach o mocy chwilowej dochodzącej do gigawata i femtosekundowym czasie trwania.

Urządzenie to jest pod względem działania połączeniem synchrotronu i konwencjonalnego lasera, choć składa się z zupełnie innych podzespołów – akceleratora i undulatora. Znajdujący się w konwencjonalnym laserze ośrodek czynny, w którym istnieją dyskretne stany elektronowe został zastąpiony przez wiązkę elektronów przebiegającą w próżni, gdzie rozkład stanów elektronowych jest ciągły. Rolę pompy wytwarzającej odwrócenie obsadzeń pomiędzy stanem podstawowym i wzbudzonym w ośrodku czynnym lasera konwencjonalnego odgrywa akcelerator nadający elektronom wysoką energię. W sytuacji lasera konwencjonalnego odwrócenie obsadzeń wystarcza do pojawienia się emisji spontanicznej, w laserze na swobodnych elektronach spontaniczne akty emisji zachodzą w wyniku przyśpieszenia nadanego elektronom przez pole magnetyczne undulatora. W obu przypadkach spójne promieniowanie powstaje na skutek oddziaływania ośrodka z wytworzonym spontanicznie promieniowaniem, mającym dla obu rodzajów laserów podobne własności: wysokie natężenie, monochromatyczność, zdefiniowaną fazę i rozchodzącym się w bardzo małym kącie bryłowym. Laser na swobodnych elektronach przewyższa jednak konwencjonalne lasery jasnością i krótkim czasem trwania impulsu oraz możliwością strojenia w szerokim zakresie długości fali. Zakres strojenia jest określony możliwością zmiany parametrów struktury magnetycznej undulatora oraz zakresem energii wiązki elektronowej. Dla danego okresu, długość fali światła zależy od tego, jaka jest najwyższa osiągalna w akceleratorze energia elektronów. Zależy ona przede wszystkim od ilości modułów przyspieszających a przez to od rozmiarów i kosztów budowy akceleratora.

POLFEL będzie źródłem spójnego promieniowania elektromagnetycznego, przestrajalnym w zakresie od kilku nanometrów (miękkie promieniowanie rentgenowskie, SX) do kilkuset mikrometrów (promieniowanie terahercowe, THz). Promieniowanie laserów na swobodnych elektronach (FEL) jest emitowane w impulsach trwających od kilku femtosekund dla zakresu SX do dziesiątków pikosekund dla zakresu THz, z mocą chwilową rzędu 1 GW w całym zakresie przestrajalności. Jako jeden z nielicznych laserów na swobodnych elektronach, proponowane źródło będzie można przełączyć na emisję z dużą mocą średnią, rzędu kilkudziesięciu watów w całym zakresie pracy. W przeważającej części tego zakresu będzie to jedno z najsilniejszych źródeł promieniowania spójnego o takiej mocy. POLFEL uzupełni możliwości konwencjonalnych laserów, przez rozszerzenie zakresu widmowego oraz zapewni nieosiągalne dla synchrotronów poprzeczną i podłużną spójność światła, intensywność wyższą o kilka rzędów wielkości i czas trwania impulsu od dziesięciu do dziesięciu tysięcy razy krótszy. Promieniowanie lasera POLFEL umożliwi rozwój badań podstawowych i technologicznych w fizyce, chemii, biologii, inżynierii materiałowej i innych dziedzinach. W wielu z nich będzie można przeprowadzić doświadczenia obecnie niemożliwe z powodu ograniczonej spójności wiązki, mocy i zbyt długiego czasu trwania impulsu. Nowe doświadczenia rozszerzą wiedzę o własnościach światła i jego oddziaływaniu z materią, w tym o silnie wzbudzonych stanach materii (fizyka plazmy, astrofizyka), dynamice molekularnej i stanach przejściowych we wzbudzeniach i reakcjach chemicznych, strukturze wielkich cząsteczek biologicznych oraz układów nowych materiałów półprzewodnikowych i magnetycznych (np. dla spintroniki).

W badaniach nad zastosowaniami wzrosną możliwości modyfikacji powierzchni poprzez naświetlanie (np. wytwarzanie struktur o wielkości nanometrów), czy określania sygnatur widmowych materiałów w różnych zakresach. Istotną dziedziną, która dzięki projektowi POLFEL zostanie reaktywowana w kraju, i w której należy się spodziewać silnego rozwoju jest fizyka i technika przyspieszania cząstek. POLFEL będzie składał się z trzech części: akceleratora elektronów, undulatora, w którym rozpędzone elektrony emitują promieniowanie oraz układu doświadczalnego. Liniowy akcelerator POLFELa będzie zbudowany z wykorzystaniem technologii TESLA, którą wykorzystano w akceleratorze lasera FLASH, oraz obecnie stosuje się przy budowie się Europejskiego X-FEL oraz planuje się przyszły zderzacz leptonów dla fizyki cząstek elementarnych ILC. W POLFELu zostaną zainstalowane undulatory pozwalające na wytwarzanie światła o zmiennej płaszczyźnie polaryzacji liniowej i kierunkach osi przy polaryzacji eliptycznej. Osiągnięcie i wykorzystanie w doświadczeniach planowanego zakresu długości fali wytwarzanego promieniowania wymaga budowy akceleratora zdolnego nadać elektronom energię rzędu kilkuset megaelektronowoltów, budowy kilku undulatorów i układów doświadczalnych przeznaczonych do pracy w kolejnych podzakresach długości fali.

Budowę POLFELa podzielono na dwa etapy. W pierwszym powstanie źródło emitujące promieniowanie w zakresie od podczerwieni do fal terahercowych. Będzie ono wyposażone w akcelerator o energii końcowej 50 MeV, dwa undulatory i linię doświadczalną. Budowa i pierwszy okres użytkowania będą okresem, kiedy zostanie przeprowadzona optymalizacja nowatorskich rozwiązań i, na podstawie pierwszych doświadczeń, określony kierunek dalszego rozwoju laboratorium. Jedną z dróg rozwoju przynoszących największe i rzadko spotykane możliwości prowadzenia doświadczeń jest wykorzystanie unikalnych możliwości ośrodka NCBJ w Świerku i stworzenie laboratorium wykorzystującego jednocześnie wiązki fotonów FEL i neutronów wytwarzanych w reaktorze jądrowym MARIA.

Laboratorium wykorzystujące i rozbudowujące laser na swobodnych elektronach POLFEL będzie ośrodkiem otwartym dla użytkowników z kraju i zagranicy. Jego zadaniem będzie zapewnienie wiązki promieniowania o zadanych parametrach do prowadzenia doświadczeń oraz rozwój fizyki i techniki wytwarzania silnych wiązek promieniowania, instrumentarium i metod pomiarowych przeznaczonych do wykorzystania w prowadzonych z nimi doświadczeniach. Przełomowe znaczenie tego wielodyscyplinarnego ośrodka dla polskiej nauki polega na tym, że polscy uczeni uzyskają stały dostęp do unikalnej aparatury, to umożliwi im równorzędną współpracę z podobnym ośrodkami w całym świecie. Grupy badawcze z innych krajów będą prowadzić swoje badania w polskim środowisku naukowym, taka współpraca podniesie wartość prowadzonych Polsce badań naukowych, ich znaczenie dla nauki o dużo bardziej niż dotychczasowy udział w międzynarodowych projektach realizowanych cząstkowo w zagranicznych ośrodkach. Istotny jest też rozwój zaawansowanych technologii, jaki nastąpi przy budowie tak złożonego i nowoczesnego urządzenia. Jego późniejsze funkcjonowanie i rozbudowa zapewnią kilkadziesiąt miejsc pracy w najnowocześniejszych dziedzinach inżynierii.