Polski laser na swobodnych elektronach coraz bliżej

Projekt PolFEL polskiego lasera na swobodnych elektronach przygotowany przez konsorcjum ośmiu jednostek naukowych uzyska finansowanie z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój. Decyzja o przeznaczeniu na ten cel kwoty ponad 118 mln. zł dotarła do NCBJ, gdzie powstać ma nowe urządzenie badawcze. Polski projekt będzie wspierany naukowo i technicznie m.in. dzięki współpracy NCBJ z twórcami najpotężniejszego tego typu urządzenia na świecie pracującego od roku w Hamburgu.

Lasery na swobodnych elektronach, których już kilkadziesiąt powstało na świecie, pozwalają badać z niedostępną innymi metodami precyzją materiały, molekuły chemiczne, cząsteczki biologiczne i dynamikę procesów, w których one uczestniczą. Wyniki badań prowadzonych przy użyciu tych urządzeń mogą mieć rewolucyjne znaczenie dla medycyny, chemii czy elektroniki.

Mamy ambitny plan by zbudować PolFEL w ciągu najbliższych czterech lat - wyjaśnia dr Paweł Krawczyk (NCBJ), który kieruje projektem. W konstrukcji naszego lasera na swobodnych elektronach można wydzielić cztery zasadnicze elementy. Pierwszy z nich to źródło elektronów wyposażone w nadprzewodzącą fotokatodę. Kolejne, to cztery nadprzewodzące kriomoduły przyspieszające elektrony do energii osiągającej maksymalnie 180 MeV. Na drodze wiązek rozpędzonych elektronów zostaną umieszczone dwa undulatory, w których elektrony będą poruszać się slalomem w niejednorodnym, specjalnie ukształtowanym polu magnetycznym. W czasie wymuszonego ruchu oscylacyjnego nastąpi akcja laserowa i elektrony będą emitować fotony układające się w niezwykle krótkie, lecz intensywne impulsy spójnego promieniowania elektromagnetycznego, czyli światła. Na końcu układu znajdą się trzy stanowiska eksperymentalne, do których będą wyprowadzone wiązki fotonów i jedno wykorzystujące wiązkę elektronów.

PolFEL będzie mógł wytwarzać światło o długości fali powyżej 100 nanometrów, a więc obejmującej część zakresu ultrafioletu. Badacze będą mieli do dyspozycji także promieniowanie o większej długości fali, w tym promieniowanie terahercowe i podczerwone. Planujemy, by PolFEL działał nie tylko w trybie impulsowym – tak jak wszystkie dotychczas istniejące lasery na swobodnych elektronach – ale również w trybie fali ciągłej, w którym pulsy promieniowania generowane są ze stałą częstością” – dodaje dr Krawczyk. „Pozwoli to na badanie niektórych rzadkich procesów, umykających dotychczas stosowanym metodom.

,PolFEL powstanie w przebudowanej, historycznej hali pierwszego zbudowanego w Świerku akceleratora protonów Andrzej. Obok niej wzniesiona zostanie nowa hala mieszcząca stanowiska badawcze. Do hali Andrzeja dobudowane zostaną pomieszczenia nowego laboratorium fotokatod nadprzewodzących.

Realizacja przedsięwzięcia będzie możliwa dzięki ogromnemu doświadczeniu zdobytemu przez polskich naukowców i inżynierów podczas budowy lasera XFEL w Hamburgu. NCBJ jest współudziałowcem międzynarodowej spółki będącej jego właścicielem, a w budowie lasera obok NCBJ uczestniczyły także inne polskie instytucje w tym IFJ PAN i Wrocławski Park Technologiczny.

Owocne partnerstwo NCBJ z laboratorium w Niemczech jest nadal podtrzymywane. 25 czerwca został podpisany aneks do umowy o współpracy pomiędzy NCBJ a European XFEL GmbH. Dotychczasowa umowa przewidywała współpracę przy przetwarzaniu danych zbieranych przez eksperymenty prowadzone w Hamburgu. W aneksie rozszerzono pole współpracy w dziedzinie przetwarzania danych oraz dodano wspólne prace nad technologiami wykorzystywanymi w laserach na swobodnych elektronach, a także zaplanowano udział NCBJ w przygotowywaniu koncepcji wykorzystania dwóch z pięciu tuneli wyprowadzających wiązki cząstek z akceleratora XFEL.

Konsorcjum XFEL jest zainteresowane między innymi prowadzonymi u nas od kilku lat pracami nad ołowianymi fotokatodami nadprzewodzącymi - wyjaśnia dyrektor NCBJ, prof. Krzysztof Kurek. Opracowywane fotokatody mają umożliwić pracę laserów na swobodnych elektronach w trybie fali ciągłej lub w trybie długich impulsów. Takie katody chcemy zastosować także w laserze, który zostanie zbudowany w Świerku. Naukowcy z NCBJ zgłaszają również koncepcję wykorzystania nowatorskiej metody uzyskiwania monoenergetycznych wiązek fotonów gamma w jednym z kanałów XFELa. Fotony takie powstawałyby w wyniku zderzenia elektronów pochodzących z akceleratora lasera z wiązką fotonów emitowaną przez tradycyjny laser. Ta koncepcja ma być realizowana również w projekcie PolFEL.

Laboratorium PolFEL, które powstanie w ośrodku jądrowym NCBJ w Świerku, będą współtworzyć gospodarze oraz specjaliści z Wojskowej Akademii Technicznej, Politechniki Warszawskiej, Politechniki Łódzkiej, Politechniki Wrocławskiej, Uniwersytetu Zielonogórskiego, Uniwersytetu w Białymstoku i Uniwersytetu Jagiellońskiego. Polskich naukowców będą wspierać partnerzy NCBJ - m.in. laboratoria DESY, STFC Lab Daresbury, a także European XFEL GmbH i firmy RI Research Instruments GmbH i Kubara Lamina S.A. Większość środków będzie pochodziła z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój ustanowionego przez Unię Europejską. Jednostką wdrażającą Program pośredniczącą w procesie finansowania przedsięwzięcia jest Ośrodek Przetwarzania Informacji (OPI) - Państwowy Instytut Badawczy.

Akcelerator lasera PolFEL będzie działał w trybach fali ciągłej (cw) i długiego impulsu (lp). Elektrony będą rozpędzane przez cztery kriomoduły, mieszczące w 8 wnękach typu TESLA SRF. Wiązki o energii 120 MeV i 160 MeV w trybie cw i lp zostaną skierowane do undulatora VUV, podczas gdy niższe wiązki energii będą napędzać undulator THz. Wygenerowane promieniowanie w zakresie od 0,3 mm do 150 nm dla pierwszej harmonicznej (50 nm dla trzeciej harmonicznej) zostanie dostarczone do eksperymentów przeprowadzanych w dedykowanej sali eksperymentalnej. Oczekiwana energia impulsu będzie na poziomie 100 μJ dla VUV i dziesiątek mikrodżuli dla promieniowania THz. Maksymalna częstotliwość błysków fotonowych w wiązce wyniesie 100 kHz. Wiązka elektronów po przejściu przez undulator VUV będzie wtórnie wykorzystywana do generowania neutronów lub będzie używana do rozpraszania wstecznego Comptona. Część czasu pracy urządzenia zostanie poświęcona badaniom nad rozwojem technologii FEL i nowym komponentom akceleratora we współpracy ze STFC Daresbury, E-XFEL i DESY.Budowa rozpocznie się w styczniu 2019 r. i powinna zakończyć się w 2022 r.

laser na swobodnych elektronach NCBJ Narodowe Centrum Badań Jądrowych