Forskare från Europeiska XFEL testade nyligen framgångsrikt för första gången de ultrasnabba röntgenblixtarna, som används för experiment vid en ny forskningsanläggning, som är under uppbyggnad i närheten av Hamburg, i Tyskland.
XFELs nya stora ljuspunktdetektor (LPD) är avsedd att användas från och med 2017 i ett vetenskapligt instrument i röntgenapparat i syfte att observera ultrasnabba reaktioner inklusive uppkomsten av molekylära förbindelser och deras intermissioner.
Det lyckade testet är ett viktigt framsteg när det gäller registrering av molekylära filmer, som gör det möjligt för forskare att bättre förstå de kemiska processernas olika stadier och för att bidra till utvecklingen av effektivare metoder ifråga om industriell produktion.
En molekylär film, som består av tusentals ögonblicksbilder, tas inom en bråkdel av en sekund och kan senare hopfogas för observation.
Sådana ögonblicksbilder bestående av ultrasnabba reaktioner på molekylär nivå kräver högteknologiska detektorer. Nu har den första detektorn levererat knivskarpa bilder, med upp till 27 000 röntgenblixtrar per sekund.
Fångar tusentals bilder per sekundEftersom de pulserande blixtarna inte är jämnt fördelade utan uppträder i skurar, pressade tätt intill varandra, måste detektorn kunna fånga en bild varje 222:e nanosekund (en nanosekund är en miljarddels av en sekund).
På så sätt kan detektorn fånga flera tusen bilder per sekund. För det andra måste detektorn ta fram ett exakt resultat trots den stora skillnaden ifråga om intensitet i en bild, vilket är väsentligt för att kunna ”öppna porten” till nanovärldens innersta skrymslen. Den nyligen testade detektorn klarade utmärkt båda testerna.
- Efter sex år av utveckling vid Rutherford Appleton-laboratoriet, har vårt projekt nu passerat en viktig milstolpe på väg till den verkligt stora 1-megapixel detektorn. Våra tester visar klart att detektorn fungerar, säger Markus Kuster, som har lett detektorprojektet på Europeiska XFEL.
- Nästa steg, enligt Markus Kuster, blir att leta efter de optimala parametrarna för drift och minskning av bakgrundsbruset.
Europeiska XFEL är en forskningsanläggning som började byggas utanför Hamburg i Tyskland 2009. Det finns olika uppgifter om när anläggningen i sin helhet är färdigbyggd, men invigningen kommer troligen att ske under 2015.
Det betyder dock att alla delar av anläggningen inte kan användas redan i år. Det kommer att dröja ett par år innan de planerade accelerationstunnlarna är färdiga, men en rad experiment kan genomföras redan under närmaste två åren.
Högintensiv elektronkanonSyftet med anläggningen är att skapa extremt intensiva pulser av koherent röntgenstrålning med våglängder ned till 0,1 nanometer. Strålningen kan användas för nya experiment i bland annat fysik, materialvetenskap, kemi och biologi.
Den process som valts för att generera pulser är SASE (Self-Amplified Spontaneous Emission, på svenska självförstärkt spontanemmission).
Knippen av elektroner genereras i en elektronkanon för högintensiv strålning, accelereras sedan till en energi av 20 GeV i en supraledande linjär accelerator innan de avges till SASE- undulatorerna där röntgenstrålningen alstras.
Den höga intensiteten på röntgenljuset möjliggör helt nya studier av fenomen och strukturer i molekyler och material.
Tyskland står för 60 procent av investeringskostnaden på runt nio miljarder kronor.
Hamburgs XFEL kommer att generera extremt intensiva röntgenstrålar (ljuskällor) med egenskaper som liknar laserljus.
Det ultrakorta ljuset blinkar tiotusentals gånger per sekund och med en briljans som är en miljard gånger högre än den för de bästa konventionella röntgenstrålkällorna.
Extremt starka ljuskällor som gör anläggningen unik i hela världen. Många experter anser att genom XFEL öppnas nya forskningsområden som tidigare var otillgängliga.
Drygt tre kilometer långI Hamburg kommer forskare att kunna kartlägga atomerna i virus och cellernas molekylära sammansättning, vilket utgör en viktig grund för framtida läkemedel. Vidare blir det möjligt att ta tredimensionella bilder av nanovärlden och filma kemiska reaktioner och processer, till exempel de som förekommer djup inne i planeter.
Anläggningen blir mer än tre kilometer lång. Det börjar vid DESY-anläggningen och sträcker sig till staden Schenefeld, där huvudbyggnaden med dess underjordiska experimenthall kommer att placeras. Den första delen av anläggningen är en 1,7 kilometer lång tunnel för partikelacceleratorn som genererar klasar av elektroner till höga energier i nästan ljusets hastighet.
Tunneln kommer att vara belägen cirka 38 meter under jord. Parallellt med European XFEL byggs också nästa generations ljuskällor i Japan och i USA.
Tre olika byggnader uppförs: En överbyggnad till den stora underjordiska injektorn, en entrébyggnad till tunneln och bredvid den en stor modulatorhall för elförsörjning. 2008 fick två välrenommerade konsortier uppdraget att bygga de underjordiska tunnlarna, schakten och hallarna för den långa anläggningen.
XFEL kommer att använda en ny röntgenkamera, som är utformad för att ta tre-dimensionella bilder av molekyler med en hastighet av 4,5 miljoner bilder per sekund. Forskarna och andra berörda kan därmed analysera grundläggande strukturer och förändringar i formlös materia.
Den unika kameran har utvecklats av Science & Technology Faciliteter Council (STFC), i samarbete med universitetet i Glasgow.
Extremt korta glimtarXFEL har nu möjlighet att påbörja sina experiment med kameran. XFEL kommer att använda supraledande acceleratorteknik för att producera röntgenblixtar som är en miljard gånger starkare än de strålar som skapas av konventionella metoder.
Dessa intensiva röntgenblixtar kommer att göra det möjligt att få tredimensionella bilder av molekyler. Varje blixt varar så kort som två femtondelssekunder eller 2x10 ^ -15 sekunder. En otroligt kort tid skulle man kunna säga utan att överdriva.
Forskning om virusKonventionella röntgenkameror är utformade för att ta bilder av en ständig ström av röntgen och inte av enskilda mikroeffekter. Detta är orsaken till att ultrahöghastighetskamera har tagits fram.
Forskarna, hoppas till exempel för att nu kunna kartlägga atomernas relation till olika slags virus. Nu kanske det blir möjligt att precisera molekylstrukturens roll i enskilda celler och få en större förståelse för massa och dess beteende.
Frågan om kameran kan ha andra användningsområden än inom forskning är tveksamt, men det återstår att se.
XFEL styrs av ett råd European XFEL Council med ansvar för strategiska, vetenskapliga och finansiella beslut. Rådet består av två representanter från respektive partnernation. Rådet styr genom 6 kommittéer. Vice ordförande för rådet är Lars Börjesson, Chalmers Tekniska Högskola, Göteborg. Sveriges delegat i rådet är Johan Holmberg, Vetenskapsrådet i Stockholm.
Följande 12 länder deltar i European XFEL- projektet genom nationella representanter; Danmark, Frankrike, Tyskland, Grekland, Ungern, Italien, Polen, Ryssland, Slovakien, Spanien, Sverige och Schweiz.
Hela byggprojektet beräknas kosta drygt 1,15 miljard euro (prisnivå 2005), motsvarande 10 miljarder SEK. Tyskland som värdnation bekostar 54 % av hela projektet, Ryssland 23 procent och de 11 övriga nationella parterna mellan 1-3,5 procent av investeringen.
