欧州XFEL

欧州X線自由電子レーザー施設GmbH
会社の種類基礎研究
設立2009年9月23日[ 1 ] （2009年9月23日）
本部シェーネフェルト、ドイツ
メンバー
12のパートナー国[ 2 ]
Webサイトwww.xfel.eu​​
欧州 XFEL プロジェクトの全加盟国は濃い紫色で強調表示されています。

欧州X線自由電子レーザー施設（European XFEL）は、 2017年に稼働を開始したX線研究用レーザー施設です。最初のレーザーパルスは2017年5月に生成され、施設は2017年9月にユーザー運用を開始しました。この国際プロジェクトには12か国が参加しており、稼働開始時の株主は9か国（デンマーク、フランス、ドイツ、ハンガリー、ポーランド、ロシア、スロバキア、スウェーデン、スイス）で、後に3つのパートナー（イタリア、スペイン、イギリス）が加わり、ドイツのハンブルクとシュレースヴィヒ＝ホルシュタイン州に位置しています。自由電子レーザーは、電子を相対論的な速度まで加速し、特殊な磁気構造に通すことで、高強度の電磁放射を生成します。欧州XFELは、電子が同期してX線光を生成するように設計されており、その結果、レーザー光の特性を持ち、従来のシンクロトロン光源によって生成されるものよりもはるかに明るい高強度X線パルスが生成されます。 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

位置

超伝導線形加速器と光子ビームラインを収容する欧州XFELの全長3.4キロメートル（2.1マイル）のトンネルは、ハンブルクのDESY研究センターの敷地からシュレースヴィヒ＝ホルシュタイン州のシェーネフェルトの町まで地下6～38メートル（20～125フィート）にわたって走っており、実験ステーション、研究室、管理棟がある。[ 9 ]

アクセル

電子は、超伝導RF空洞を備えた長さ2.1km（1.3マイル）の線形加速器によって最大17.5GeVのエネルギーまで加速されます 。 [ 9 ] DESYで開発された超伝導加速素子を使用することで、1秒間に最大27,000回の繰り返しが可能になり、これは米国や日本の他のX線レーザーが達成できる回数を大幅に上回ります。[ 10 ]次に、電子はアンジュレータと呼ばれる特殊な磁石アレイの磁場に導入され、そこでスラロームのような軌道を描き、波長が0.05～ 4.7nmのX線を放出します 。[ 9 ]

X線レーザー

X線は自己増幅自然放出（SASE）によって生成され、電子が自身または近傍の電子が放出する放射線と相互作用する。光レーザーのように、X線を反射して電子ビーム増幅媒体を複数回通過させるためのミラーを作ることは不可能であるため、X線はビームを1回通過するだけで生成される。その結果、X線装置などの通常の発生源から放出される非コヒーレントなX線とは異なり、レーザー光のようにコヒーレント（同位相）なX線光子が自然放出される。欧州XFELのピーク輝度は従来のX線光源の数十億倍、平均輝度は1万倍高い。[ 9 ]電子エネルギーが高いほど、より短い波長を生成できる。[ 10 ]光パルスの持続時間は100フェムト秒未満にすることができる。[ 9 ]

楽器

欧州XFELには7つの装置があり、世界中の科学者によって運用されています。

フェムト秒X線実験（FXE）

FXE装置は、100フェムト秒未満の時間スケールで超高速ポンププローブ実験を可能にする[ 11 ] 。FXE の研究は、溶液または凝縮物質中の試料の超高速で、多くの場合非線形な化学反応または生化学反応を硬X線放射を用いて測定することに重点を置いている。この装置は2つの独立したX線発光分光計で構成されており、散乱検査用の大面積1メガピクセル検出器と同時に使用できる。試料を励起するために、この装置にはさらに、紫外線（UV）から赤外線（IR）まで使用可能な超高速レーザーが搭載されている。

高エネルギー密度（HED）とHIBEF UC

この装置[ 12 ]は HIBEF ユーザーコンソーシアム[ 13 ] (HIBEF UC) と共同で開発されたもので、硬 X 線を用いて極度の圧力、温度、電場条件下で物質を調査できる実験用のユニークなプラットフォームです。HED と HIBEF ユーザーコンソーシアムは、高エネルギー光レーザーとパルス磁石を利用できます。科学的アプリケーションには、太陽系外惑星の内部で見つかるような物質、高密度プラズマ、極度の圧力または高磁場下の物質の調査が含まれます。最初のユーザー実験は 2019 年 5 月に実施されました。それ以来、集束装置、分光計、モノクロメーター、サンプル環境など、さらに多くの装置が稼働し、最適化されてきました。HIBEF ユーザーコンソーシアムは、ダイヤモンドアンビルセル、特殊レーザーシステム、レーザーショック装置を 備えた 2 つ目の実験室を提供しています。

単一粒子、クラスター、生体分子と連続フェムト秒結晶構造解析（SPB/SFX）

単一粒子、クラスター、生体分子および連続フェムト秒結晶構造解析（SPB / SFX）[ 14 ]装置は、マイクロメートル範囲から原子分解能までの物体のデータを提供することができます。

軟X線ポート（SXP）

分光法とコヒーレント散乱（SCS）

SCSは、欧州XFELの軟X線分光・散乱装置です。SCSの科学的研究は、量子物質および分子における光誘起過渡現象の探究に重点を置いています。ビームラインには、単色光操作用の軟X線回折格子モノクロメータが設置されています。[ 15 ] [ 16 ]

この装置には、異なる実験プローブを接続できる3つの主要なエンドステーションが装備されています。[ 16 ]

CHEMとXRDチャンバーは高解像度共鳴非弾性X線散乱分光計と結合することができ、非常に高いエネルギーと時間分解能でポンプとプローブRIXS実験を行うことができます。[ 16 ]

FFTチャンバーとCHEMチャンバーはどちらも、信号圧縮（DSSC）検出器を備えた前方散乱DEPMOSセンサーに接続できます。[ 17 ] [ 18 ] [ 16 ]

SCSは、試料中に過渡状態や光活性化反応を誘発するためのポンプとして使用できる様々な光源を提供しています。すべてのエンドステーションには、相互作用点においてX線と光レーザーパルスの空間的および時間的な重なりを可能にする光レーザーインカップリングが装備されています。[ 16 ]

小型量子システム（SQS）

SQS装置は、軟X線波長域における光物質相互作用の基礎過程を研究するために開発されました。研究対象は、孤立原子から巨大生体分子まで多岐にわたり、様々な分光技術が用いられます。SQS装置は、以下の3つの実験ステーションを備えています。[ 19 ]

  • 原子および小分子のための原子類似量子システム（AQS）
  • クラスターおよびナノ粒子のためのナノサイズ量子システム（NQS）
  • 反応顕微鏡（SQS-REMI）は、ターゲットとFELパルスの相互作用で生成されるすべての生成物を分析することにより、イオン化およびフラグメンテーションプロセスの完全な特性評価を可能にします。

光子エネルギー範囲は260 eVから3000 eV（4.8 nmから0.4 nm）です。50 fs未満の持続時間を持つ超短自由電子レーザー（FEL）パルスと同期光レーザーを組み合わせることで、超高速の核ダイナミクスを非常に高い分解能で捉えることができます。[ 19 ]

材料イメージングとダイナミクス（MID）

MID装置の適用範囲は、欧州XFELのX線レーザービームが持つ前例のないコヒーレント特性を利用した材料科学実験です。その科学的応用範囲は、ガラス形成や磁性といった物性物理学から、コロイド、細胞、ウイルスといったソフトマテリアルや生物学的材料まで多岐にわたります。

イメージング

イメージングは​​、古典的な位相コントラストX線イメージングからコヒーレントX線回折イメージング（CXDI ）まで、幅広い技術と科学分野を網羅し、ナノ構造材料内部の歪みイメージングから細胞全体のバイオイメージングまで、様々な用途に用いられています。多くの場合、その目的は調査対象構造の3D表現を得ることです。位相回復法を用いることで、逆格子空間で測定された回折パターンから散乱物体の実空間可視化へと 進むことができます。

ダイナミクス

複雑なナノスケールダイナミクスは、凝縮系科学の最前線において根源的な関心を集める普遍的な現象であり、液体やガラスにおける粘弾性流動や散逸から、高分子ダイナミクス、タンパク質フォールディング、結晶相転移、超高速スピン転移、ドメイン壁ダイナミクス、磁区スイッチングなど、多様なプロセスから構成されています。極めて高輝度でコヒーレントなX線ビームは、XPCSなどの技術を用いて、フェムト秒から秒までの時間スケールで、原子スケールまでの無秩序系のダイナミクスを研究するための、これまでにない可能性を切り開きます。

コントロール

施設内の実験は、社内で開発されたKaraboと呼ばれる制御システムを介して制御されています。[ 20 ]これは、 C++とPythonで書かれた分散SCADAシステムです。

研究

短いレーザーパルスにより、他の方法では捉えられないほど速い化学反応の測定が可能になります。X線レーザーの波長は0.05nmから4.7nmまで可変で、原子レベルの長さでの測定が可能です。[ 9 ]

現在、7つの機器を備えた3つの光子ビームラインが使用可能です。[ 9 ]将来的には5つの光子ビームラインと合計10の実験ステーションにアップグレードされる予定です。[ 21 ]

実験ビームラインは、物理学、化学、材料科学、生物学、ナノテクノロジーにわたるさまざまな分野で、新しい光源の高強度、コヒーレンス、時間構造を利用したユニークな科学実験を可能にします。[ 22 ]

歴史

2015年に建設中の加速器モジュール

ドイツ連邦教育研究省は、欧州プロジェクトとして資金調達するという条件で、2007年6月5日に8億5000万ユーロの費用で施設の建設を許可した。[ 23 ]施設を建設・運営するEuropean XFEL GmbHは2009年に設立された。[ 24 ]施設の土木工事は2009年1月8日に始まった。トンネルの建設は2012年夏に完了し、[ 25 ]地下の工事はすべて翌年に完了した。[ 26 ]最初のビームは2017年4月に加速され、最初のX線ビームは2017年5月に生成された。[ 3 ] [ 4 ] XFELは2017年9月に開所した。[ 5 ]施設の建設と稼働開始にかかる総費用は、2017年時点で12億2000万ユーロ（2005年の価格水準）と見積もられている。[ 9 ]

参考文献

  1. ^ 「HRB 111165: 欧州XFEL GmbHが設立されました！」 2009年10月13日. 2018年7月17日閲覧。
  2. ^ 「パートナー国」www.xfel.eu .欧州X線自由電子レーザー施設GmbH . 2025年9月11日閲覧。
  3. ^ a b「世界最大のX線レーザーが初光を発」 2017年5月4日。 2017年5月4日閲覧。
  4. ^ a b「Größter Röntgenlaser der Welt erzeugt erstes Laserlicht」（ドイツ語）。 2017 年 5 月 4 日。2017 年5 月 4 日に取得。
  5. ^ a b「国際X線レーザー欧州XFELが開設」 2017年9月1日。 2017年9月2日閲覧。
  6. ^ 「欧州XFEL – 組織 – 企業 – 株主」www.xfel.eu . 2018年12月6日閲覧。
  7. ^ Massimo Altarelli編 (2014). 2014年度年次報告書(PDF) . 欧州X線自由電子レーザー施設Gmbh. p. 10.
  8. ^ 「DESYの欧州XFELプロジェクトグループ」 。 2007年12月20日閲覧。
  9. ^ a b c d e f g h「欧州XFELの事実と数字」 。 2017年9月2日閲覧。
  10. ^ a b「欧州XFELの比較」 。 2017年5月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年5月4日閲覧。
  11. ^ 「Scientific Instrument FXE」 . 2024年11月1日閲覧。
  12. ^ 「Scientific Instrument HED」 . 2024年11月1日閲覧。
  13. ^ 「ヘルムホルツ国際極限場ビームライン（HiBEF）」 。 2024年11月1日閲覧。
  14. ^ 「Scientific Instrument SPB/SFX」 . 2024年11月27日閲覧。
  15. ^ゲラシモワ、N.;ラ・チヴィタ、D.サモイロバ、L.ヴァノーニ、M.ビジャヌエバ、R.ヒッキン、D.カーリー、R.ゴート、R.ヴァン・クイケン、ベルギー;ミエデマ、P.ル・ガヤダー、L.メルカディエ、L.マーキュリオ、G.シュラッパ、J.タイヒマン、M. (2022 年 9 月 1 日)。「欧州 XFEL の SASE3 ビームラインの軟 X 線モノクロメーター: 設計から運用まで」。放射光ジャーナル。29 (5): 1299–1308。土井: 10.1107/S1600577522007627。ISSN 1600-5775。PMC 9455211。PMID 36073890。   
  16. ^ a b c d e f g h「Scientific Instrument SCS」 . www.xfel.eu. 2023年7月7日閲覧。
  17. ^ a b Le Guyader, Loïc; Eschenlohr, Andrea; Beye, Martin; Schlotter, William; Döring, Florian; Carinan, Cammille; Hickin, David; Agarwal, Naman; Boeglin, Christine; Bovensiepen, Uwe; Buck, Jens; Carley, Robert; Castoldi, Andrea; D'Elia, Alessandro; Delitz, Jan-Torben (2023年2月20日). 「欧州XFELにおける光子ショットノイズ制限過渡吸収軟X線分光法」 . Journal of Synchrotron Radiation . 30 (2): 284– 300. doi : 10.1107/s1600577523000619 . ISSN 1600-5775 . PMC 10000791 . PMID 36891842。   
  18. ^ "DSSC" . photon-science.desy.de . 2023年7月7日閲覧。
  19. ^ a b「科学機器SQS」www.xfel.eu。
  20. ^ Hauf, Steffen; et al. (2019). 「Karabo分散制御システム」 . Journal of Synchrotron Radiation . 26 (5): 1448– 1461. doi : 10.1107 / S1600577519006696 . PMID 31490132. S2CID 201846558 .  
  21. ^ 「How it works」 . 2017年9月4日閲覧。
  22. ^ 「サイエンス」 。 2017年9月4日閲覧。
  23. ^ 「欧州XFELの打ち上げ」。
  24. ^欧州XFELニュース：「HRB 111165：欧州XFEL GmbHが設立されました！」
  25. ^欧州XFELニュース：「トンネル建設完了」
  26. ^欧州XFELニュース：「欧州XFEL地下建設が完了」
ウィキメディア・コモンズには、欧州のXFELに関連するメディアがあります。

北緯53度35分20秒、東経9度49分44秒 / 北緯53.589度、東経9.829度 / 53.589; 9.829

「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=European_XFEL&oldid=1331156732」から取得