Verdens største røntgenlaser klar til drift
more_vert
close
close

Vores nyhedsbreve

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

Verdens største røntgenlaser klar til drift

Gennem mere end 100 år har man vidst, at det er muligt at bestemme et materiales atomare eller molekylære opbygning ud fra den spredning, som det udsætter røntgen­stråling for.

Det har gjort røntgenstråling til et af forskernes bedste værktøjer til studier af nye materialer, lægemidler og kemiske processer, og et nyt imponerende forskningsanlæg lige syd for Danmark giver nu helt nye muligheder for at anvende det værktøj.

Røntgenstråling kan dannes, når elektroner afbøjes i et magnetfelt. Den teknik anvendes i store synkrotroner, som efterhånden findes i mange lande. Her holdes elektroner cirkulerende med høj energi i lagerringe med en omkreds på flere hundrede meter, som f.eks. i MAX IV i Lund i Skåne, der repræsenterer det nyeste skud på stammen.

Men der findes et alternativ til synkrotroner, der kaldes for fri-elektron lasere (FEL), som er flere kilometer lange lineære anlæg. De kan levere røntgenstråling, der er meget kraftigere og mere kortvarig end stråling i synkrotroner.

Det gør det eksempelvis muligt at optage molekylære film af kemiske reaktioner, ligesom man kan undgå at køle prøver, da den kortvarige puls ikke opvarmer og ødelægger materialet, som det kan ske med synkrotronstråling.

European XFEL kan levere verdens mest intense og koncentrerede røntgenstråling til brug for forskningsinstitutioner og virksomheder inden for bl.a. materialefysik, biologi, medicin og energiteknologi. Varigheden af strålingen på ca. 100 femtosekunder gør det eksempelvis muligt at optage film af molekylære reaktioner. Intensiteten eller brilliansen er 5 x 1033 fotoner/s/mm2/mrad2, hvilket er en milliard gange højere end i røntgenstråling fra de bedste synkrotroner. De enkelte trin er beskrevet nærmere under billederne længere nede i artiklen.

En XFEL – hvor X står for X-ray – er derfor til en del undersøgelser et bedre alternativ end synkrotronstråling eller neutronstråling, som om få år kan leveres fra European Spallation Source under opbygning i Lund.

Kan forbedre solcellers virkning

Ingeniøren har tidligere beskrevet, at forskere på DTU har benyttet den amerikanske fri-elektron laser, Linac Coherent Light Source, til at lave optagelser af, hvordan elektroner springer mellem forskellige energiniveauer i et jernkompleks.

Det er viden, der blandt andet kan være nyttig til at forstå og forbedre virkemåden af solceller.

Elektronkanon: Når en negativt ladet elektrode af cæsium-tellurid udsættes for en kraftig, kortvarig ultraviolet laserstråling, frigives flere milliarder elektroner. De samles i 27.000 bundter i sekundet.
Accelerator: Elektronerne går gennem 101 superledende moduler, kølet til 3 kelvin, i en 2,1 kilometer lang accelerator. Her opnår de en energi på 17,5 milliarder elektronvolt.
Undulator: Magnetfelter udsætter elektronerne for en slalombevægelse, hvorved de afgiver røntgenstråling med en bølgelængde mellem 0,05 og 4,7 nanometer. Undulatoren består af 5 meter lange celler, hvorimellem der kan placeres diagnostisk udstyr.
Målestationer: I første fase tages to målestationer i brug. De fødes fra samme undulator, så de kan ikke bruges på samme tid. Femtosecond X-ray Experiment (FXE), hvortil det danske firma JJ X-Ray leverer udstyr i samarbejde med DTU, er især velegnet til dynamiske studier af kemiske og biokemiske reaktioner. The Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography (SPB/SFX) er velegnet til bestemmelse af tredimensionelle strukturer. Fire yderligere målestationer vil blive taget i brug i 2018 og 2019 sammen med de to næste undulatorer. (Fotos: XFEL

I fremtiden kan sådanne og lignende eksperimenter udføres i Hamborg med et anlæg, der på alle parametre overgår det amerikanske. Eksempelvis kan det amerikanske anlæg kun levere 100 pulser i sekundet til målestationen; European XFEL kan levere 27.000.

Som for alle store forskningsanlæg er der helt præcise procedurer for, hvordan forskningsprojekter får tildelt tid, men det skader næppe danske forskere, at Danmark har sat sig tungt på ledelsen.

Formanden for den øverste ledelse er professor Martin Meedom Nielsen fra DTU. En anden dansker, professor Robert Feidenhans’l, står i spidsen for den daglige ledelse.

Han var indtil slutningen af sidste år institutleder for Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, men den unikke mulighed for et internationalt topjob inden for et forskningsfelt, han har beskæftiget sig med siden sin uddannelse ved Aarhus Universitet i begyndelsen af 1980’erne, trak ham til Tyskland, forklarer han til Ingeniøren.

Et gammelt princip

Selv om røntgenstråling fra en fri-elektron laser først vinder frem i disse år, har princippet mange år på bagen, og historien tager sin begyndelse under Anden Verdenskrig, hvor man udviklede mikrobølgerør og klystroner til at føde energi til radarsystemer med bølgelængde i centimeterområdet.

I 1951 foreslog Hans Motz ved Stanford University i Californien, at man kunne danne elektromagnetisk stråling med endnu kortere bølgelængder ved at lade energirige elektroner passere gennem en undulator, som er en periodisk struktur af magneter, der sender elektroner ud i en slalombevægelse.

Da elektronerne ikke er bundet i noget atom, er der tale om frie elektroner. To år senere genererede Motz på denne måde stråling med en bølgelængde på nogle få millimeter.

Inspireret af laserens fremkomst i 1960 beskrev John Madey, ligeledes fra Stanford University, i 1971, at man kunne opnå en forstærkning af strålingen fra en undulator på samme måde, som optisk stråling kan forstærkes med en laser, hvor strålingen kan stamme fra bundne elektroners spring mellem forskellige energiniveauer.

Første fri-elektron laser

I 1977 fremstillede Madey den første fri-elektron laser, der leverede infrarød stråling ved 3,4 mikrometer. Efter samme princip som i en laser blev elektronerne reflekteret frem og tilbage mellem spejle, hvor hver passage forstærkede strålingen.

For røntgenstråling skal forstærkningen ske ved en enkelt passage gennem undulatoren, da der ikke findes spejle for røntgenstråling. Det stiller store krav til teknologien, som først blev indfriet i 2009 med Linac Coherent Light Source, som gjorde det muligt at generere intens røntgenstråling med en bølgelængde under en nanometer.

XFEL udnytter superledning

European XFEL i Hamburg repræsenterer næste generation ved at udnytte superledende komponenter.

European XFEL har kostet omkring 1,2 mia. euro (2015-priser). Tyskerne betaler selv 58 pct. af omkostningerne, Rusland er den anden store bidragyder med 27 pct., mens den sidste del dækkes af ni andre lande, heriblandt Danmark, der betaler ca. en procent – i runde tal omkring 100 mio. kr.

»European XFEL er som den nye Elbphilharmonie et af Hamborgs nyeste vartegn,« siger Robert Feidenhans’l og tilføjer:

»Ligesom byen Hamborg er blevet glad for og stolt af ‘Elbphi’, så er der også stor opbakning til European XFEL og forskning i det hele taget,« forklarer Robert Feidenhans’l – og langt mere, end der har været i Danmark i de seneste år, tilføjer han.

1-2-3 undulatorer

Selv om der var ‘hul igennem’ allerede i maj måned, hvor anlægget genererede sin første røntgenstråling med en bølgelængde på 0,8 nanometer, så er der stadig mange ting, der skal gøres færdige de næste uger, før brugerne kommer.

Foreløbig får anlægget to målestationer, som skal deles om røntgenstråling fra samme undulator.

»Anlægget kommer til at køre i døgndrift, så hver målestation får stråling i 12 timer om dagen,« siger Robert Feidenhans’l.

Antallet af målestationer øges de kommende år, og flere kan bruges på samme tid, da endnu en undulator bliver færdig i begyndelsen af 2018, og en tredje undulator følger kort tid efter. På lang sigt vil det være muligt at bore fem nye rør og dermed yderligere øge antallet af undulatorer og målestationer.

»Men her taler vi om en mulighed, som måske kan blive en realitet efter 2030,« siger Robert Feidenhans’l.

Artikeln skriver "Efter samme princip som i en laser blev elektronerne reflekteret frem og tilbage mellem spejle, hvor hver passage forstærkede strålingen."

Menes der ikke at elektronstrålen passerer et vekslende magnetfelt, som får dem til at bevæge sig insinusbevægelse, hvorved der udsendes fotoner ved retningsskiftende? At få elektroner til at "reflektere på spejle" mener jeg ikke man kan, men måske jeg ikke har hørt godt nok efter i fysik?

  • 0
  • 0

Jeg har sikkert heller ikke hørt godt nok efter eller læst de rigtige ting.

Artiklen omtaler elektroner, infrarød stråling, røntgen stråling mv. og tilhørende bølgelængder. Kunne vi få et link, eller en forklaring på hvordan disse fænomener er relateret ?
Alene ved omtalen af Madey's forsøg i 1977 springer kæden for årsag-virkning.

En god fakta boks ville være dejlig.

  • 0
  • 1