Dansk udstyr i verdens kraftigste røntgenlaser
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Teknologiens Mediehus kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Dansk udstyr i verdens kraftigste røntgenlaser

Om tre år vil verdens kraftigste røntgenlaser i Hamborg til en pris af godt otte milliarder kroner være klar til at åbne dørene for materialeforskere, kemikere, bioteknologer og mange andre, som allerede står i kø for tage anlægget i brug.

Avanceret dansk teknologi skal være med til at gøre det muligt at bruge røntgenlaseren til at fotografere og filme kemiske processer med hidtil uset tidsmæssig opløsning og nøjagtighed.

European X-ray Free Electron Laser (XFEL) er et internationalt projekt, som Danmark bidrager til med én procent af de samlede anlægsomkostninger. XFEL ledes af en bestyrelse (Council), som har institutleder Robert Feidenhans'l fra Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet som formand.

Elektroner løber slalom og udsender røntgenstråling

Som en del af det danske bidrag til XFEL er det aftalt, at Danmark skal levere udstyret, der sidder for enden af en af de seks beamlines, der udgør forsøgspladserne ved XFEL.

Det er her røntgenstrålingen, som dannes, når energirige elektroner i anlægget laver slalom-bevægelser gennem såkaldte undulatorer, rammer prøven, der skal undersøges.

Beamlinen omfatter også udstyr, der skal detektere den spredte stråling, så det er muligt herudfra at regne baglæns for at fastlægge prøvens atomare og molekylære opbygning.

For at bringe elektroner op i tilstrækkelig høj energi accelereres de over en strækning på 3,4 kilometer, før de rammer undulatorerne.

Kontrakten på 28 millioner kroner om levering af det danske udstyr er formelt set indgået mellem DTU og Styrelsen for Forskning og Innovation under Uddannelsesministeriet. Den er godkendt af XFEL som værende en del af det danske bidrag.

DTU har hyret JJ X-Ray som underleverandør, så virksomheden modtager kontaktens fulde beløb som betaling.

Kontrakten er kommet i stand efter flere års forarbejde af ikke mindst professor Martin Meedom Nielsen fra DTU Fysik, som selv forventer at komme til at bruge XFEL i stor stil, når anlægget efter planen står færdig ved udgangen af 2015.

Kun tre materialer kan klare effekten

XFEL vil ti gange i sekundet kunne sende 2.700 røntgenpulser med en repetitionsfrekvens på 4,5 MHz med en varighed under 100 femtosekunder ind mod en prøve - typisk 25 femtosekunder for eksperimenter ved den beamline, som JJ X-Ray skal levere.

Røntgenstrålingen vil kunne have en bølgelængde mellem 0,05 og 6 nanometer.

Det er de i alt 27.000 pulser i sekundet, der gør XFEL unik og 100 gange så kraftig som de to fri-elektron lasere, der i dag er i drift i henholdsvis USA og Japan.

Det er til gengæld også det, som sætter helt usædvanlige krav til konstruktionen af beamlines.

Spidseffekten i de enkelte pulser er op 20 gigawatt, og der kommer 2.700 af disse pulser inden for 600 mikrosekunder.

»Der er for så vidt kun tre materialer der kan modstå denne effekt og det er borkarbid (B4C), meget rent beryllium og diamant. Vi kommer til at bruge dem alle,« siger administrerende direktør Christian Mammen fra JJ X-Ray.

Materialerne har vidt forskellige egenskaber. Diamant kan modstå den højeste effekt, og er det eneste, der forekommer i en-krystallinsk form.

Beryllium er det eneste, der kan formes til linser, der kan fokusere røntgenstrålen.

Borkarbid vil blive brugt til absorption for at udtynde strålen eller til at skærme udstyr tæt på strålen, der ikke tåler eksponering.

Et andet problem ved en fri-elektron laser i modsætning til eksempelvis røntgenstråling fra synkrotroner er, at de individuelle pulser kan være meget forskellige. Derfor skal beamlinen også indeholde udstyr, der måler formen af de individuelle pulser.

Produktionen begynder i 2013

JJ X-Ray er et lille højt specialiseret firma med 11 medarbejdere, som gennem mange år har leveret produkter og løsninger til synkrotroner verden over og også til fri-elektron laseren ved Stanford University i Californien, Linear Coherent Light Source. Virksomheden ejes af tre af de ledende medarbejdere.

»Vi leverer udelukkende kundetilpassede løsninger, så på den måde passer opgaven til XFEL godt, og det er en utrolig spændende opgave,« siger Christian Mammen.

Han fortæller, at der altid er en risiko, når der ikke skal leveres en standardløsning.

»Den risiko tager vi naturligvis højde for i vores pris. Sådan må det være, og det ved kunderne godt. Det altgørende for en virksomhed som vores er derfor gode referencer,« siger han.

Christian Mammen fortæller, at virksomheden allerede har arbejdet på opgaven en lille års tid for egen regning i forventning om at få ordren.

Det betyder, at JJ X-Ray har været med i den tidlige designfase. Med ordren begynder den egentlige tekniske designfase. Produktion af de første dele går i gang i løbet af første halvår 2013.

Det danske bidrag leveres til FXE-beamlinen (Femtosecond X-ray Experiment), som er den af de seks beamlines ved XFEL, der designmæssigt er længst fremme. Det er endnu ikke bestemt, hvem der skal levere udsyre til de øvrige beamlines.

Flere ordrer kan være på vej

Christian Mammen mener, at der vil være gode chancer for at få ordrer til en eller flere af de andre beamlines - enten ved at JJ X-Ray indgår i konsortier med andre leverandører eller efter udbud.

Der er formodentligt kun tre-fire andre virksomheder, som kan levere tilsvarende udstyr, skønner han.

Orden vil svare nogenlunde til fuld beskæftigelse for fire personer i tre år.

Christian Mammen forventer, at det vil betyde, at der skal ansættes flere medarbejdere i virksomheden i det kommende år. Han kan dog endnu ikke sige, hvor mange det vil være, da det også vil afhænge af, hvor mange andre ordrer JJ X-Ray får den kommende tid.

DTU giver og modtager unik viden

Martin Meedom Nielsen fra DTU Fysik er en hovedpersonerne bag FXE beamlinen, og det er ikke mindst hans viden om de målinger, der skal foretages, der skal være med til at sikre, at beamlinen bliver optimalt designet.

DTU afholder sine egen omkostninger ved at deltage i projektet, men de vil være givet godt ud, mener Martin Meedom Nielsen.

»Når DTU er med til at designe og installere og kalibrere udstyret, får vi et helt unikt kendskab til hvilken forskning, det bliver muligt at udføre,« siger han.

Når XFEL er færdig, vil den blive stillet til rådighed for forskere fra hele verden efter ansøgning. Martin Meedom Nielsen eller øvrige danske forskere får ikke automatisk en forrang, men netop det, at de kender anlægget i alle detaljer, forventer han vil være med til at gøre danske ansøgninger bedre end så mange andre.

Dokumentation

JJ X-Ray
European XFEL

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Tillykke til JJ X-Ray med den ordre!
Umiddelbart ser det ud som om grafikener spejlet i forhold til beskrivelsen.
Og saa ville det vaere flot hvis artiklen kunne beskrive forskellen mellem synkrotron-straaling (som beskrevet) og en free electron (x-ray) laser...

  • 0
  • 0

Umiddelbart ser det ud som om grafikener spejlet i forhold til beskrivelsen.

Ups, der var byttet om på højre og venstre. Det er rettet nu. Tak til Peter Høghøj for at finde fejlen.

  • 0
  • 0

Og saa ville det vaere flot hvis artiklen kunne beskrive forskellen mellem synkrotron-straaling (som beskrevet) og en free electron (x-ray) laser...

I første omgang vil jeg henvise til min tre år gamle synkrotron-artikel
http://ing.dk/artikel/96366-synchrotronern...

Både synkrotroner og fri-elektron lasere accelererer elektroner til høje hastigheder (tæt på lyset) og dermed høj energi og tapper den energi i form af røntgenstrålig, når elektronerne udsættes for slalom-kørslen gennem en undulator.

Hvor de nuværende synkrotroner, der bygges i rundt omkring i verden, kaldes 3. generationsanlæg kaldes fri-elektron laser også for 4. generationsanlæg til dannelse af røntgenstråling med langt højere intensitet end det vil være muligt at opnå i en synkrotron.

Forskellen er også, at elektroner cirkulerer i synkrotroner (typisk med en omkreds på nogle hundrede meter op til næsten en kilometer), mens elektronerne udsættes for lineær acceleration i fri-elektron lasere.

Man kan sammenligne med, at partikelfysikerne lader protoner cirkulere i LHC, ligesom elektroner og positroner cirkulerede i forgængeren LEP, mens deres næste store ønske er en 30 km (eller deromkring) linear accelerator, hvorved man kan opnå endnu højere energi i sammenstød mellem partikler.

  • 0
  • 0
  • Formålet men røntgen-frielektronlaseren (gerne forkortet XFEL for X-ray free electron laser) er at producere kortere og mere intense røntgenpulser, end det lader sig gøre i en synkrotron.

  • Forskellene er kort fortalt
    En synkrotronrøntgenkilde er ikke cirkelformet, men er groft sagt en regulær mangekant. Elektroner pakket i bundter suser rundt i en stabil bane og udsender røntgenstråling både hvor banen afbøjes i mangekantens hjørner, og i lineære røntgenkilder (ondulatorer), der er indsat på banens lige segmenter.
    I en røntgen-frielektronlaser har man groft sagt taget eet lineært segment ud og smidt resten af synkrotronen væk.

  • Fordelene er:
    1) man kan bundte elektronerne, så de passer til netop det lineære segment man vælger at bygge - uden hensyntagen til alle de andre segmenter, der er i en synkrotron. 2) man kan bygge det lineære segment længere uden samtidig at skulle skalere resten af en synkrotron tilsvarende op. 3) den røntgenkilde, man bygger kan groft sagt maltraktere elektronbundterne uden hensyntagen til, at der er andre, der skal bruge dem rundt om det næste hjørne. Det er brug-og-smid-væk i stedet for cynkrotronens recirkulering.

  • Ondulatoren:
    Man tager faktisk kendt cynkrotronteknologi, men bygger den længere. Der er tale om en ondulator: Et lineæret array af magneter over og under elektronernes bane (nord-syd-nord-syd over banen, syd-nord-syd-nord... under banen), gør, at elektronerne i stedet for en ret linie følge en svagt bølgende bane. Dvs. at elektronerne oplever en periodisk varierende acceleration, når de suser gennem ondulatoren. Accelererede ladninger stråler som bekendt, og i en ondulator har man dimensioneret det magnetiske array, så der er konstruktiv interferens mellem stråling udsendt i een periode af det magnetiske array og stråling udsendt fra den næste periode. Selvfølgelig først og fremmest ved de røntgenbølgelængder, man er interesseret i at producere.

NB: Jo tættere elektronerne er pakket sammen, jo højere grad af samtidighed er der i den acceleration, de oplever, og jo højere grad af konstruktiv interferens er der mellem stråling udsendt af hhv. for- og bagenden af et elektronbundt. Den fysiske grænse for peak-intensiteten og puls-varigheden fra en ondulator er sat af, hvor tæt man kan pakke elektronerne, og det er på sin side begrænset af, at ens elektriske ladninger frastøder hinanden, så det er svært at hold et elektronbundt tæt pakket...

  • Mikrobundter...
    Lys (også røntgen) bevæger sig hurtigere end elektroner. D.v.s at de forreste elektroner i et elektronbundt bliver indhentet af stråling udsendt af elektroner i den bagerste del af elektronbundtet, hvis ondulatoren er lang nok, og elektronerne pakket tæt nok. Ud over det periodiske magnetfelt fra ondulatoren, vil elektronbundtet altså bevæge sig igennem det elektromagnetiske felt, det selv har udstrålet.

Man har i mange år kendt til teori for, at hvis det udstrålede elektromagnetiske felt er kraftigt nok, vil det opdele elektronbundtet i mikrobundter på vej gennem ondulatoren. Og ikke nok med det: Afstanden mellem mikrobundterne passer til, at strålingen fra hvert mikrobundt interfererer konstruktivt med strålingen fra de andre mikrobundter. Varigheden af pulserne er herefter sat af længden af mikrobundterne, ikke det oprindelige elektronbundt, og peak-intensitenen er flere størrelsesordener højere, pga. den højere grad af konstruktiv interferens.

Det er dette princip, røntgen-frielektronlaseren udnytter.

*** De fysiske størrelsesforhold:
XFEL'en i Hamborg er ialt små 3,4 km lang. Heraf lægger elektronkilden og acceleratoren beslag på de første godt 1.7 km. Elektronerne kan sendes mod eet af 3 ondulatorsystemer ad gangen. Ialt med 92 ondulatorelementer på hver 5 m. Herefter er der godt en kilometer til at adskilde den eftertragtede røntgenstråling fra baggrunden. De sidste par hundrede meter bruges til manipulation af røntgenstrålingen (f.eks. fokusering og monokromatisering) og selvfølgelig de laboratorier, eksperimenterne skal udføres i.

Til sammenligning er de største røntgensynkrotroner typisk en halvanden til to kilometer i omkreds fordelt på ~30 lineære segmenter.

*** Andre fri-elektronlasere:
FEL-princippet kan også bruges til at producere mere langbølget elektromagnetisk stråling end røntgen. I bund og grund er bølgelængden bestemt af perioden af den magnetiske struktur sammen med elektronernes kinetiske energi: Jo kortere periode, jo kortere bølgelængde. Og jo højere den kinetisk energi af elektronerne er, jo kraftigere er den relativistiske dopplereffekt og jo kortere bliver bølgelængden af den udsendte stråling.

Generelt bygger man altid den magnetiske struktur så kompakt, det kan lade sig gøre, og tuner derfor på elektronenergien.

For at producere infrarød stråling, kræves f.eks. ikke så kraftig en elektronaccelerator som den, de bygger til XFEL'en i Hamborg. F.eks. FELIX i Nijmegen (Free Electron Laser for Infrared eXperiments), der ikke fylder mere end en tennisbane og producerer stråling fra fjern-infrarøde til terrahertz-området. FLASH i Hamborg, der producerer ekstrem ultraviolet stråling, er 'kun' 315 meter lang.

  • 1
  • 0

Tak. Altsaa:

Synkrotronstraaling: Elektromagnetisk straaling (lys) udsendt af en elektron der bevaeger sig (hurtigt) gennem et magnetfelt

Undulator: periodisk magnet-struktur hvor en elektron med hoej energi udsender straaling med konstruktiv interferens mellem straaling der laves af en elektron i hver af undulatorens perioder

Fri elektron laser: eletroner er opdelt i bundter med en tidsstruktur der goer at i en undulator er der ikke blot interferens mellem straalingen fra hver periode for hver enkelt elektron men ogsaa konstruktiv interferens mellem flere straalingen fra flere elektroner - og altsaa meget hoej intensitet i hver puls.

  • 0
  • 0

Selvtak! Det er et temmelig dækkende sammenkog af, hvad jeg prøvede at skrive.

Der er mindre sprogforbistring omkring brugen af ordet synkrotronstråling - astronomer, røntgenfysikere og fysikere uden særlig erfaring med moderne røntgenkilder bruger ordet forskelligt.

  • Astronomer benytter det om stråling (også i røntgen-området) udsendt af plasmaet i et sort huls tilvækstskive (dvs. ladede partikler i mere eller mindre cirkulære kredsløb med relativistiske hastigheder).

  • Fysikere uden særligt erfaring med røntgenkilder tænker måske først og fremmest på den klassiske synkrotron, hvor elektronernes bane består af to halvcirkler (under påvirkning af et magnetfelt, som du skriver) adskilt af lineære accelerations-trin. Tilførslen af energi under accelerationstrinene skal kompensere for udstrålingen på halvcirkelstykkerne, så sådane fysikere vil nok bruge ordet synkrotronstråling, som du gør.

  • I en synkrotron dedikeret til produktion af røntgenstråling, er der de to halvcirkler fordelt ud over, say, 30 hjørner. Samtidig er de lineære segmenter gjort lange nok til, at der udover accelerationstrin er plads til ondulatorer.
    Strålingen fra hjørnerne kalder røntgenfysikere gerne 'bending-magnet radiation' (afbøjningsmagnetstråling), og det omfatter dit udtryk 'synkrotronstråling' fint, men det er faktisk ondulatorerne, ikke afbøjningsmagneterne, der kendetegner en tredjegenerations synkrotron-røntgenkilde. Derfor vil en røntenfysiker være tilbøjelig til også at betragte 'ondulatorstråling' som synkrotronstråling. Måske i modsætning til, hvad andre fysikere gør.

PS. Du har ret i, at ondulator staves undulator som på engelsk.

  • 0
  • 0

Røntgenstrålingen bliver diffrakteret af elektronerne men de er også så energi-rige at de sparker elektroner ud og ødelægger prøven. I den biologiske verden hvor jeg arbejder får man radikaler og de diffunderer så i prøven og ødelægger flere ting. Vi kan minimere skaden ved at køle til ca 100 K med nitrogen men så risikerer vi at skade prøven før vi overhovedet er begyndt at samle data.
Men vi ved fra eksperimenter på de røntgenlasere som findes at strålingsskaden tager omtrent 200 femtosekunder før den indtræder så hvis vi bruger røntgenpulser på mindre end 200 fs så undgår vi det problem. Det er kun fordi røntgenlaseren er så kraftfuld at man kan få et signal ud. Det fede ved det er så også at med en masse fix-faxeri så kan man følge kemiske reaktioner.

  • 0
  • 0