XFEL: Největší rentgenový laser světa v provozu

Rentgenový laser XFEL (home.cern)

Dne 1. 9. 2017 byl v Německu otevřen světově největší  rentgenový laser XFEL (X-ray Free-Electron Laser). Na jeho stavbě se podílelo 11 zemí a stavba trvala 8 let. Projekt stál v přepočtu přes 31 miliard korun. Jedná se o 3,4 kilometru dlouhý podzemní tunel pod Hamburkem. Zařízení XFEL má za úkol pořizování rentgenových snímků molekul, buněk a virů. Bude tak mít využití nejen ve fyzice, ale i biologii a farmaceutice.

Jak XFEL funguje?

Magnety uspořádány za sebou s opačnými póly – princip undulátoru (wikipedie.org)

Všechna podobná světová zařízení na principu volných elektronů fungují podobně. Jedná se o obří urychlovače shluků elektronů, které jsou urychleny elektrickým polem v mikrovlnných dutinách na rychlost blížící se rychlosti světla.

Poté se jednotlivé shluky elektronů přesouvají do takzvaného undulátoru, což je řada periodicky se střídajících magnetů s opačnými póly. To má za následek zvlnění trajektorie elektronů, které pak začnou vyzařovat energii. Vzniká impulz rychlejší než samotné elektrony. Shluk elektronu tak generuje laser, který je na konci undulátoru sveden do útlumového členu a veden do haly s experimenty. 

Samotný urychlovací tunel měří zhruba 2,1 kilometrů. Elektrony zde nabudou energie 17,5 GeV.

Za touto částí je část s undulovým modulem, která obsahuje 17.290 permanentních magnetů.

Jaké jsou vlastně výhody zařízení typu XFEL?

Oproti jiným laserovým zařízením se dá tento laserový paprsek regulovat, a to pomocí změny vlnové délky elektronů. Jedním ze způsobů použití takového zařízení je vytváření extrémních situací pro materiály a látky. Lze tak vytvářet extrémní stavy látek, které se normálně na Zemi nevyskytují. Při takovém pokusu střet paprsku s látkou vytváří dosud neznámé formy látek, které se vyskytují například v nitru hvězd nebo podobných vesmírných těles.

Druhý způsob využití rentgenového záření na takto krátké vlnové délce je pořizování snímků na mikroskopické úrovni.
Přesnost laseru je zhruba na 0,1 nanometru. Zařízení tak v podstatě může filmovat chemické reakce a sloužit jako obří mikroskop. XFEL totiž dokáže vypálit až 27.000 pulsů za vteřinu. V praxi dokáže zachytit snímek každou tisícinu biliontiny vteřiny v reálném čase. Jedná se tedy bezesporu o nejvýkonnější zařízení svého typu na světě, až 200× silnější než podobné v USA.

První úspěšný rentgenový impulz se povedlo vygenerovat 4. května 2017. Přesnost a rozlišení byla 0,8 nanometru a četnost pulsů byla 27 000 za sekundu. Jedná se tak o nejvýkonnější kameru v laserovém oboru.

Zdroj:
The European X-Ray Laser Project XFEL (xfel.desy.de)
European XFEL: World’s most powerful X-ray source starts up (home.cern)
European X-ray free-electron laser (wikipedia.org)
První světlo z tříkilometrového evropského laseru XFEL (aldebaran.cz)