Predstavujeme európsky röntgenový laser na báze voľných elektrónov v Hamburgu

05. máj. 2017 • Technické vedy

Predstavujeme európsky röntgenový laser na báze voľných elektrónov v Hamburgu

E-XFEL je európsky projekt 3,4 km dlhého röntgenového lasera budovaného v Hamburgu, ktorý bude zdrojom žiarenia výnimočných kvalít presahujúci všetky súčasné svetové fotónové zdroje. Toto zariadenie otvorí také oblasti vedeckého výskumu, ktoré sú doteraz pre vedu nedostupné. Pomocou röntgenových zábleskov E-XFEL budú vedci schopní mapovať detaily vírusov na atómovej úrovni, rozlíšiť molekulárne zloženie buniek, zobraziť trojrozmerné obrazy nanosveta, „nafilmovať“ chemické reakcie a študovať procesy, ktoré sa vyskytujú hlboko vo vnútri planét.

S projektom E-XFEL sa môžu oboznámiť účastníci podujatia„School of XFEL and Synchrotron Radiation Users 2017” (SFEL), ktoré organizujeUniverzita Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach pod záštitou Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky a európskeho X-Ray Free-Electron Laser Facility GmbH v Hamburgu. Ide o pokračuje podobných podujatí „Winter Schools of Synchrotron radiation”, ktoré sa konali v rokoch 2011, 2013 a 2014.

Letecký pohľad na E-XFEL. Začiatok zariadenia je v lokalite DESY v Hamburgu a končí sa o 3,4 km vzdialenej hale s koncovými stanicami v Schenefelde (Šlezvicko-Holštajnsko).

Cieľom školy SFEL 2017 je uľahčiť rast novej odbornej výskumnej komunity na Slovensku so širokými skúsenosťami v oblasti výskumu vysokoúčinných RTG laserových a synchrotrónových zdrojov. Škola je navrhnutá kvôli efektívnemu prenosu rýchlo sa rozvíjajúceho know-how v tejto oblasti smerom k mladej generácii – výskumných pracovníkov a vysokoškolských študentov. Ďalšími cieľmi SFEL 2017 sú posilnenie osobných prepojení medzi miestnou slovenskou výskumnou komunitou a skutočné vytváranie vedeckých tímov spomedzi užívateľov XFEL. Slovenská výskumná komunita tak môže využiť skutočnosť, že Slovensko je akcionárom Európskej XFEL spoločnosti GmbH v Hamburgu, ale zároveň efektívnejšie využíva ďalšie blízke príbuzné vedecké zariadenia vrátane ILL a ESRF v Grenoble a DESY v Hamburgu.

V súvislosti s výstavbou a prevádzkovaním európskeho XFEL sa medzinárodní partneri dohodli na založení nezávislej výskumnej organizácie – neziskovej spoločnosti s ručením obmedzeným, podľa nemeckého práva s názvom European XFEL GmbH. Spoločnosť bude mať približne 280 zamestnancov. V súčasnosti sa na projekte zúčastňuje 11 krajín (Dánsko, Francúzsko, Nemecko, Maďarsko, Taliansko, Poľsko, Rusko, Slovensko, Španielsko, Švédsko a Švajčiarsko). Pre vedcov a priemyselných užívateľov sa zariadenie bude otvárať v roku 2017. Náklady na jeho výstavbu, ktoré zahŕňajú uvedenie do prevádzky, predstavujú okolo 1,3 miliardy eur.

Elektrónové zväzky v E-XFEL sa vytvárajú odrazením častíc z kovového kusu pomocou bežného lasera. Špecifikácie, ktoré musí zdroj elektrónu spĺňať, sú veľmi náročné, pretože dokonca aj najmenšie nepravidelnosti na začiatku by v priebehu procesu zrýchlenia zosilňovali a viedli k tomu, že by elektrónový zväzok nebol dostatočne kvalitný. Prvou časťou zariadenia je 1,7 km dlhý urýchľovač častíc, ktorý dodáva vysokú energiu zväzkom elektrónov, ktoré potom letia takmer rýchlosťou svetla.

Elektróny sa zrýchľujú v špeciálnych dutinách, takzvaných rezonátoroch. V týchto rezonátoroch prenáša oscilačná vlna svoju energiu na elektróny. Rezonátory sú vyrobené z kovu nióbu a sú supravodivé, čiže keď sú ochladené na teplotu -271 stupňov Celzia, strácajú elektrický odpor. Elektrický prúd potom preteká cez rezonátory bez akýchkoľvek strát a takmer celá elektrická energia sa prenáša na častice. Navyše supravodivé rezonátory dodávajú veľmi jemný a rovnomerný elektrónový lúč. Časticový lúč tejto extrémne vysokej kvality je absolútnym predpokladom pre prevádzku röntgenového lasera.

Periodické usporiadanie magnetov cez ktorý urýchlené elektróny letia ako cez slalomovú dráhu a vyžarujú extrémne krátke a intenzívne röntgenové záblesky s vlastnosťami laserového svetla.

Akcelerované elektróny potom prechádzajú cez periodické usporiadanie magnetov, ktoré nútia elektróny na úzky slalom. V tomto procese každý jednotlivý elektrón vyžaruje röntgenové žiarenie, ktoré sa viac a viac zosilňuje. Tento proces amplifikácie je vyvolaný interakciou röntgenového žiarenia s elektrónmi. Pretože vyžarovanie je rýchlejšie ako rýchlosť elektrónov na ich slalomovej dráhe, tak predbieha elektróny a vplýva na nich, urýchľujúc niektoré a spomaľujúc ostatné. V dôsledku toho sa elektróny postupne usporiadajú do množstva tenkých diskov. Kľúčovou vlastnosťou tohto procesu je skutočnosť, že všetky elektróny v danom disku vyžarujú svoje svetlo „v synchronizácii“. To produkuje extrémne krátke a intenzívne röntgenové záblesky s vlastnosťami laserového svetla. Toto je princíp tzv. spontánnej emisie s vlastným zosilnením. Jeden urýchľovač elektrónov môže riadiť niekoľko periodických usporiadaní magnetov súčasne a týmto spôsobom je možné potom generovať žiarenie s rôznymi vlastnosťami pre rôzne experimentálne stanice. V prvom kroku poskytne E-XFEL žiarenie pre desať experimentálnych staníc.

Röntgenové záblesky E-XFEL umožnia veľké množstvo veľmi odlišných experimentov na rôznych experimentálnych staniciach.V závislosti od experimentálnych požiadaviek môžu byť röntgenové záblesky rozšírené, zaostrené, filtrované alebo oslabené pomocou optických prvkov, ako sú zrkadlá, mriežky, štrbiny alebo kryštály. Tieto záblesky potom môžu pôsobiť na rôzne vzorkyv rôznych experimentálnych staniciach. Výsledky týchto interakcií sa následne merajú pomocou špeciálnych detektorov. Vedci môžu sledovať priebeh týchto experimentov zo susednej kontrolnej miestnosti.

Slovenská republika vyjadrila v predchádzajúcom období záujem o zapojenie sa do dvoch konzorcií užívateľov: XBI (XFEL Integrated Biology Infrastructure Life-Science Facility) a SPB/SFX (Single Particle Imaging and Serial Femtosecond X-ray crystalography). Tieto dve konzorciá by mali významne prispieť k riešeniu projektov spojených so štrukturálnou biológiou – k riešeniu terciálnych štruktúr proteínov. Hlavne riešenie štruktúr tých proteínov, ktoré sú zaujímavé z pohľadu biomedicíny a biotechnológií a ktoré sú ťažko kryštalizovatelné, respektíve, ktoré nie je možné pripraviť vo forme dostatočne veľkých, difraktujúcich kryštálov.

Najväčším problémom kryštalografie proteínov, je nájdenie podmienok kryštalizácie, ktoré vedú k tvorbe práve takýchto kryštálov. Použitie XFEL-u by malo odstrániť problémy s kvalitou kryštálov, keďže na určenie štruktúry proteínov budú postačovať nanokryštály alebo dokonca údaje z roztoku proteínov a ich komplexov. Navyše pomocou tohto zariadenia sa budú dať sledovať rýchle procesy v rámci štrukturálnych zmien v proteínoch.

Zobrazovanie nano-kryštálov na riešenie terciálnej štruktúry proteínov pomocou XFEL. Lúč prichádzajúci z pravej strany naráža na nanokryštaly proteínov vyletujúcich z trysky a od atómov odrazené záblesky sa zaznamenávajú špeciálnym detektorom, ktoré umožňujú vyriešenie terciálnej štruktúry proteínu (na ľavej strane).

Slovenská republika sa stala zakladajúcou členskou krajinou tejto medzinárodnej vedeckej obchodnej spoločnosti, a to ako spoločník s 1 % účasťou v roku 2009. V októbri 2016 sa zariadenie European XFEL oficiálne uviedlo do prevádzky. V záležitostiach týkajúcich sa European XFEL GmbH zastupuje záujmy SR prof. RNDr. Pavol Sovák, CSc. z UPJŠ v Košiciach, vymenovaný za slovenského zástupcu v Európskej rade XFEL. Slovenskú republiku v konzorciách SPB/SFX a XBI zastupuje MŠVVaŠ SR, ktoré poverilo Ing. Karela Saksla, DrSc. a RNDr. Imricha Baráka, DrSc. na rokovania o podmienkach vstupu Slovenskej republiky do konzorcia užívateľov SPB/SFX. RNDr. Imrich Barák, DrSc., doc. RNDr. Jozef Uličný a Ing. Karel Saksl, DrSc. sú zástupcovia SR v XBI konzorciu.

 

Autor: RNDr. Imrich Barák, DrSc., Slovenská akadémia vied

Foto poskytol: autor

Redigovala: Slávka Habrmanová, NCP VaT pri CVTI SR

Uverejnila: ZVČ

Súvisiace:

Hore
Aurelium - centrum vedy
Quark_2020
Quark 25 rokov
kúpa časopisov jún 2016
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Publikácie Veda v CENTRE
Zaujímavosti vo vede
Na ľudskom tele nachádzame vrodené aj získané znamienka.
Zistite viac