Wyścig synchrotronów

Jesteśmy szczęśliwi, a z drugiej strony trochę nam przykro - mówi Mikael Eriksson, dyrektor szwedzkiego synchrotronu MAX IV komentując toczący się właśnie wyścig pomiędzy Szwecją, USA, Brazylią, Francją a Japonią. Wyścig, którego celem jest stworzenie najdoskonalszego źródła promieni X.

Rewolucyjną technologię pozwalającą na skupienie promieni X maksymalnie blisko teoretycznego limitu opracowali właśnie Szwedzi. Gdy Eriksson pojechał do USA by ją zaprezentować, spotkał się z powszechnym niedowierzaniem. A teraz właśnie Amerykanie są tymi, którzy mogą w najbliższych latach stworzyć najdoskonalszy synchrotron.

Szwedzcy naukowcy pracujący przy projekcie 528-metrowego urządzenia MAX IV rozpoczęli w 2006 roku prace nad zwiększeniem intensywności i jasności źródła promieni X poprzez większe ścieśnienie wiązek elektronów. Stworzyli projekt zakładający wykorzystanie 20 grup po 7 magnesów achromatycznych każda. Z ich obliczeń wynikało, że dzięki temu wiązki elektronów będą wędrowały w tę i z powrotem tak długo, aż zwiększy się ich skupienie. To właśnie w ten projekt Amerykanie nie chcieli uwierzyć.

Teraz wierzą. Argonne National Laboratory chce udoskonalić swój mierzący 1104 metry synchrotron Advanced Photon Source (APS), wykorzystując w tym celu pomysł Szwedów. Pojawiła się nowa technologia. To mała rewolucja - mówi dyrektor APS Brian Stephenson. Obecne synchrotrony wykorzystują co najwyżej grupy po 2 magnesy achromatyczne. Dotychczas sądzono, że dokładanie magnesów mija się z celem, gdyż spowodują one, że wiązki będą zbyt mocno zginane i pojawi się w nich zbyt wiele fluktuacji. Szwedzi dowiedli jednak, że dzięki zastosowaniu niewielkich magnesów zagięcie wiązek jest na tyle małe, że ilość fluktuacji nie wzrasta.

Amerykanie nie są jedynymi, którzy postanowili wykorzystać osiągnięcia Szwedów. Ambitny projekt, wart 320 milionów dolarów, prowadzi Brazylia, która chce udoskonalić swój 518-metrowy synchrotron Sirius. Prace mają zakończyć się w 2016 roku, a zatem rok po uruchomieniu MAX IV. W roku 2018 ma zostać uruchomiony amerykański APS. Będzie on korzystał z 40 zestawów magnesów i skupi wiązki znacznie lepiej niż MAX IV. Amerykanie wydadzą na swój projekt 391 milionów USD. To wielokrotnie więcej niż wynosi budżet, jakim dysponują Szwedzi (52 miliony USD). Amerykanie uwzględniają jednak w swoich wyliczeniach całkowity koszt, czego nie robią Szwedzi.

Jeszcze więcej pieniędzy niż Amerykanie chcą wydać Francuzi i Japończycy. Jedni i drudzy zapowiadają uruchomienie swoich synchrotronów w 2019 roku. ESRF w Grenoble ma długość 844 metrów a jego ulepszenie będzie kosztowało 413 milionów dolarów. Z kolei Kraj Kwitnącej Wiśni wyda na ulepszenie 1436-metrowego Spring-8 aż 450 milionów dolarów.

Szwedzi zdają sobie sprawę z faktu, że długo nie będą dzierżyli palmy pierwszeństwa. Nie pozwala im na to stosunkowo skromny budżet na badania. Ponadto Amerykanie mają pewną przewagę nad wszystkimi innymi konkurentami. W 2012 roku fizycy ze SLAC National Accelerator Laboratory wykazali, że zwiększając liczbę magnesów w dłuższych tunelach można jeszcze bardziej skupić wiązki bez ich destabilizowania. Amerykanie mają obecnie co najmniej dwa nieużywane tunele akceleratorów, które można w przyszłości wykorzystać. Jeden z nich to 2,2-kilometrowy tunel akceleratora w SLAC, a drugi to 6,3-kilometrowy tunel wyłączonego niedawno Tevatronu.

Uzyskanie doskonalszych, bardziej skupionych wiązek X pozwoli na przeprowadzenie rewolucyjnych badań z dziedziny chemii. Obecne źródła promieniowania X nie są wystarczająco jasne, by badać procesy chemiczne z rozdzielczością liczoną w nanometrach i nanosekundach. Dzięki nowym źródłom promieni X możliwe będzie np. szczegółowe badanie procesów zachodzących w pracuących bateriach. Ich poznanie da nadzieję na udoskonalenie tych tak potrzebnych urządzeń.

synchrotron USA Szwecja MAX IV Japonia Brazylia Francja promieniowanie X