Hamburg je dejiskom príprav unikátneho európskeho röntgenového lasera

Hamburg je momentálne dejiskom dôležitých príprav pre uvedenie do prevádzky unikátneho európskeho röntgenového lasera, postaveného na báze voľných elektrónov. Práve bol uvedený do činnosti 1,7 km dlhý urýchľovač častíc, ktorý je prvou súčasťou celého zariadenia E-XFEL lasera. Celé zariadenie má byť pre vedcov a priemyselných užívateľov sprístupnené v priebehu roka 2017. Európskeho projektu röntgenového lasera sa zúčastňuje 11 krajín: Dánsko, Francúzsko, Nemecko, Maďarsko, Taliansko, Poľsko, Rusko, Slovensko, Španielsko, Švédsko a Švajčiarsko.

Aká vlastne panuje atmosféra pri tak dôležitých krokoch vedcov v nemeckom Hamburgu, popisuje Dr. Patrik Vagovič z Centra pre vedu postavenú na báze voľných elektrónov (Center for Free-Electron Laser Science – CFEL). Pridáva tiež, aké možnosti otvára toto zariadenie v oblasti takzvaného „full-field“ zobrazovania. „Pripomína mi to situáciu, keď nastal obrovský rozvoj röntgenových zobrazovacích metód na konci 90-tych rokov, keď nastúpili vtedy moderné zdroje ďalšej (tretej) generácie Advanced Photon Source (APS) v USA Spring8 v Japonsku a European Synchrotron Ratiation Facility (ESRF) v Grenobli (Obr. 1). Vtedy sa začali objavovať techniky fázového zobrazovania, predtým možné len zo zdrojmi laserového žiarenia vo viditeľnej oblasti spektra. Fázové zobrazovanie v RTG oblasti umožnilo zobrazovanie mäkkých materiálov vrátane 3D objemovej informácie (Obr. 2). Na začiatku sa pokladalo za experimentálny artefakt niečo nežiadúce, keď vysoká koherencia spôsobovala oscilácie intenzity na hranách objektov, ktoré boli zobrazované. Spôsobovalo to rozmazávanie obrazu.“

Dôvod bol podľa neho ten, že žiarenie nových zdrojov malo vysokú koherenčnú dĺžku. „Neskôr sa práve vysoká koherencia využila pre fázové zobrazovanie a objekty, ktoré boli predtým neviditeľné (napr. mäkké tkanivá.) Zrazu mali vysoký kontrast a bolo možné rozlíšiť napríklad nádor v mozgu od okolitého tkaniva s vysokým kontrastom a rozlíšením. Behom 10 – 15 rokov po nástupe nových zdrojov sa fázové zobrazovanie vyvinulo do štádia, že sa stalo bežnou technikou a dôraz sa kládol hlavne na tlačenie priestorového rozlíšenia smerom k nm (~ 10 – 20 nm aktuálny limit),“ popisuje vedec pracujúci v Centre pre vedu postavenú na báze voľných elektrónov v nemeckom Hamburgu. Pripomenul, že veľa techník vyvinutých na synchrotrónoch sa úspešne implementovalo na laboratórnych zdrojoch RTG žiarenia.

Na čo sa ale podľa neho zabúdalo alebo, inak povedané, nesústreďovala sa dostatočná pozornosť, bolo časové rozlíšenie. „Tieto zdroje (synchrotróny aj XFEL) sú vlastne stroboskopy s opakovacou frekvenciou na MHz úrovni. Na APS a v ESRF sú dve priekopnícke skupiny, ktoré sa nedávno začali venovať takémuto zobrazovaniu. Na synchrotrónoch je limitáciou počet fotónov, ktorý vygeneruje jeden elektrónový pulz prechádzajúci undulátorom (1e9 fotónov na plnú harmonickú funkciu undulátora), a to výrazne limituje kontrast a rozlíšenie pri vzorkovacích frekvenciách na MHz úrovni. Taktiež zobrazovanie na MHz vzorkovacej úrovni nebolo možné aj kvôli nerozvinutej technológii rýchlych detektorov. Obrázok získaný jediným pulzom z takéhoto stroboskopu je snímaný počas dĺžky trvania pulzu, t. j. ~100ps pre synchrotrónove pulzy, resp. ~<100fs pre pulzy na XFEL, a teda dynamický proces je zmrazený takouto rýchlou uzávierkou, ak to dáme do analógie s fotoaparátom. Pre ilustráciu prikladám sekvenciu obrázkov získanú nedávno MHz zobrazovaním na meracej stanici ID19 v ESRF (Obr. 3), ku ktorému prispeli aj študenti a vedci zo Slovenskej university v Košiciach. Cieľom experimentu bolo overiť či je možné pomocou laserového žiarenia indukovať supersonickú trisku, ktorá by bola vhodná pre dodánie vzoriek pre experimenty na XFELi a zároveň charakterizovať tento ultrarýchly proces pomocou RTG zobrazovania. Aj keď môžeme identifikovať základne parametre tohto procesu s vysokým časovým rozlíšením (~1.9MHz vzorkovacia frekvencia), kontrast na synchrotróne je nedostatočný na to, aby sme získali kvantitatívnu informáciu o lokálnych zmenách hustoty spôsobených šokovou vlnou pohybujúcou sa vo vzorke rýchlosťou ~1.4 km/s.“ hovorí Dr. Patrik Vagovič.

Pokračuje, že vďaka pokroku v detektorovej technológii a novým zdrojom, medzi ktoré radí hlavne európsky XFEL, MHz zobrazovanie s vysokým kontrastom začína byt reálne. „Sekvencia neopakovateľných procesov môže byť zaznamenaná pomocou ultrarýchlych kamier.Vďaka tomu, že jeden záblesk na XFEL.eu obsahuje 1e-12 až 1e-13 fotónov s veľmi úzkou šírkou pásma (~1eV – 20eV ) a takmer plne koherentným zväzkom žiarenia, bude možné rozvinúť zobrazovanie ultrarýchlych procesov v biológii, ale hlavne v materiálovom výskume. Pôvodne bol XFEL navrhnutý pre maximálne fotónové energie 25keV, nedávno však demonštroval Evgeny Schneidmiller na FLASH Free Electron Laser  v DESY, že je možný takzvaný ´High Harmonic Seeding´, pomocou ktorého bude možné ísť až do veľmi tvrdého RTG žiarenia ~100keV.“

Tieto skutočnosti podľa vedca otvárajú neprebádané možnosti zobrazovania dynamických procesov hlavne v materiálovom výskume. „Všetky tvrdé materiály ako napr. kovy, budú vlastne fázové vzorky pre žiarenie nad (30) 50keV a metódy fázového (statického) zobrazovania sú aplikovateľné na dynamické zobrazovanie procesov, ktoré sa šíria nadzvukovými rýchlosťami (šokové vlny, explózie, trhliny, kavitácie … ).“ 

Dr. Patrik Vagovič pripomína, že v rámci týchto otvárajúcich sa možností organizujú workshop, ktorý sa uskutoční  v októbri 2017 v EXFEL.eu, kde chcú vytvoriť medzinárodnú spoluprácu pre MHz zobrazovanie. „Je dosť možné, že toto vyústi do užívateľského konzorcia, ktorého cieľom bude tlačiť rozvoj ultrarýchleho röntgenového zobrazovania nielen na európskom XFELi. Zároveň sa tu ponúka nápad postavenia koncového zariadenia na zatiaľ neobsadenom porte SASE4, to je ale ešte ďaleko a bude potrebné nájsť podporu širšej vedeckej komunity, vrátane podpory priemyselných partnerov.“ 

Informácie poskytol: Dr. Patrik Vagovič z Centra pre vedu postavenú na báze voľných elektrónov (Center for Free-Electron Laser Science – CFEL)

Spracovala: Slávka Habrmanová, NCP VaT pri CVTI SR

Foto: z archívu Dr. Patrika Vagoviča

Úvodné foto: XFEL

Viac na: http://www.xfel.eu/ a tiež: http://sfel2017.sk/en/#organizers

UVerejnila: ZVČ