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北緯53°35′20″ 東経9°49′44″ / 北緯53.589° 東経9.829° / 53.589; 9.829
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| 会社種別 | 基礎研究 |
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| 設立 | 2009年9月23日[1] |
| 本部 | シェーネフェルト、ドイツ |
| Webサイト | ホームページ |
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か国のパートナー（イタリア、スペイン、イギリス）が加わりました。このプロジェクトは、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あります。自由電子レーザーは、電子を相対速度まで加速し、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構築されており、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強度の高強度X線パルスが生成されます。 [2] [3] [4] [5] [6] [7]
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、実験ステーション、研究室、管理棟があるシュレースヴィヒ＝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）にわたって走っています。[8]
アクセル
電子は、超伝導RF空洞を備えた長さ2.1 km（1.3マイル）の線形加速器によって最大17.5 GeVのエネルギーまで加速されます。[8] 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数値を大幅に上回ります。 [9]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0.05～4.7 nmのX線を放射します 。[8]
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隣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鏡を作ることは不可能なので、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光源から放出される非干渉性の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。[8]電子エネルギーが高いほど、より短い波長を生成できる。[9]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。[8]
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の超高速ポンププローブ実験を可能にする[10] FXEの研究重点は、硬X線放射による溶液または凝縮物質中のサンプルの超高速で非線形な化学反応または生化学反応の測定にある。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。サンプルを励起するために、装置にはさらに紫外線(UV)から赤外線(IR)まで使用できる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[11]は、硬X線を用いて極度の圧力、温度、または電場条件下で物質を調査できる実験のための独自のプラットフォームとして、HIBEFユーザーコンソーシアム[12] (HIBEF UC)と共同で開発された。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る。科学的用途には、太陽系外惑星内部にあるような物質、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る。最初のユーザー実験は2019年5月に実施された。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、さらなる装置が稼働し、最適化されてきた。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る。
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）[13]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の科学的関心は、量子材料と分子における光誘起過渡現象の探究に向けられています。ビームラインには、単色操作用の軟X線格子モノクロメータが設置されています。[14] [15]
この装置には、異なる実験プローブに接続できる3つの主要なエンドステーションが装備されています。[15]
- 希釈されたサンプル、分子、化学物質を研究するための液体ジェット装置を備えた化学室（CHEM）。[15]
- 前方散乱固定ターゲット（FFT）：透過分光法、小角X線散乱（SAXS）、コヒーレント回折イメージング（CDI）、X線光子相関分光法（XPCS）に最適化された電磁石を備えた固体サンプルチャンバー。[16] [15]
- 6自由度の真空回折計を備えた固体試料用のX線回折（XRD）チャンバー。[15]
CHEMおよび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および時間分解能でポンプおよびプローブRIXS実験を実行することができる。[15]
FFTチャンバーとCHEMチャンバーは両方とも、信号圧縮（DSSC）検出器を備えた前方散乱DEPMOSセンサーに接続することができます。[16] [17] [15]
SCSは、サンプル内で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さまざま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、相互作用点で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。[15]
小型量子システム (SQS)
SQS装置は、軟X線波長放射における光物質相互作用の基本的過程を調査するために開発されました。調査の典型的な対象は、孤立原子から大きな生体分子までの範囲であり、典型的な方法はさまざまな分光技術です。SQS装置には3つの実験ステーションがあります。[18]
- 原子と小分子のための原子類似量子システム（AQS）
- クラスターと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未満の持続時間の超短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解像度で捉えることができます。[18]
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 ビームのこれまでにないコヒーレント特性を利用した材料科学実験です。科学的応用範囲は、ガラスの形成や磁性などの研究を行う凝縮物質物理学から、コロイド、細胞、ウイルスなどの軟質材料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、また、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、幅広い技術と科学分野をカバーしています。多くの場合、調査対象の構造の 3D 表現を取得することが目的です。位相回復法によって、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視覚化に移行することができます。
- ダイナミクス
複雑なナノスケールのダイナミクスは、凝縮物質科学の最前線で根源的な関心事として広く見られる現象であり、液体やガラスの粘弾性流動や散逸からポリマーのダイナミクス、タンパク質の折り畳み、結晶相転移、超高速スピン転移、ドメイン壁ダイナミクス、磁気ドメインスイッチングなど、多数のプロセスから構成されています。極めて明るくコヒーレントなX線ビームは、XPCSなどの技術を使用して、フェムト秒から秒までの時間スケールで、原子長スケールまでの無秩序システム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。[19]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を測定することができます。X線レーザーの波長は0.05～4.7nmの範囲で変化し、原子長スケールでの測定が可能です。[8]
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。[8]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。[20]
実験用ビームラインは、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、高コヒーレンス、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。[21]
歴史
ドイツ連邦教育研究省は、欧州プロジェクトとして資金を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。[22]施設を建設・運営するEuropean XFEL GmbHは2009年に設立された。[23]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、[24]翌年にはすべての地下工事が完了した。[25]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。[2] [3] XFELは2017年9月に開設された。[4]施設の建設と稼働開始にかかる総費用は、2017年時点で[アップデート]12億2000万ユーロ（2005年の価格水準）と見積もられている。[8]
参考文献
- ^ 「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。
- ^ ab 「世界最大のX線レーザーが初光を放つ」2017年5月4日。 2017年5月4日閲覧。
- ^ ab "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。
- ^ ab 「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。
- ^ 「欧州XFEL – 組織 – 会社 – 株主」www.xfel.eu 。 2018年12月6日閲覧。
- ^ 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。
- ^ 「DESYの欧州XFELプロジェクトグループ」 。 2007年12月20日閲覧。
- ^ abcdefgh 「欧州XFELの事実と数字」 。 2017年9月2日閲覧。
- ^ ab “European XFEL in comparison”. 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。
- ^ 「Scientific Instrument FXE」 。 2024年11月1日閲覧。
- ^ 「Scientific Instrument HED」 。 2024年11月1日閲覧。
- ^ 「ヘルムホルツ国際極限磁場ビームライン（HiBEF）」。2024年11月1日閲覧。
- ^ 「Scientific Instrument SPB/SFX」 。 2024年11月27日閲覧。
- ^ 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。
- ^ abcdefgh 「Scientific Instrument SCS」。www.xfel.eu 。 2023年7月7日閲覧。
- ^ ab Le Guyader、ロイック;エッシェンローア、アンドレア;ベイ、マーティン。ウィリアム・シュロッター。デーリング、フロリアン。カリナン、カミーユ。ヒッキン、デイビッド。アガルワル、ナマン。ボーグリン、クリスティーン。ボーフェンジーペン、ウーヴェ;バック、イェンス。カーリー、ロバート。カストルディ、アンドレア。デリア、アレッサンドロ。デリッツ、ヤン＝トーベン（2023年2月20日）。 「欧州XFELにおけるフォトンショットノイズ制限過渡吸収軟X線分光法」。放射光ジャーナル。30 (2): 284–300。土井：10.1107/s1600577523000619。ISSN 1600-5775。PMC 10000791。PMID 36891842。
- ^ “DSSC”. photon-science.desy.de . 2023年7月7日閲覧。
- ^ ab 「科学機器SQS」www.xfel.eu。
- ^ 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.
- ^ 「How it works」2017年9月4日閲覧。
- ^ 「サイエンス」 。 2017年9月4日閲覧。
- ^ 「欧州XFELの立ち上げ」。
- ^ 欧州 XFEL ニュース: 「HRB 111165: 欧州 XFEL GmbH が設立されました!」
- ^ 欧州XFELニュース：「トンネル建設完了」
- ^ 欧州XFELニュース：「欧州XFEL地下建設が完了」
外部リンク
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。
- 欧州XFELウェブサイト
- インタラクティブマップ
- XFELの革命