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欧州X線自由電子レーザー施設（European XFEL）は、X線研究用レーザー施設です。この国際プロジェクトには12か国が参加しており、運用開始時には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）が株主として参加し、後に3か国（イタリア、スペイン、英国）がパートナーとして加わりました。施設はドイツのハンブルク州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、電子を相対論的速度まで加速し、特殊な磁気構造を通して方向付けることで、高強度の電磁放射を生成します。European XFELは、電子が同期してX線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で生成されるものよりもはるかに明るい高強度のX線パルスが得られます。 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
超伝導線形加速器と光子ビームラインを収容するヨーロッパ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、研究所、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）に伸びている。[ 9 ]
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。[ 9 ] DESYで開発された超伝導加速素子を使用することで、毎秒最大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ーと呼ばれる特殊な磁石アレイの磁場に導入され、スラロームのような軌道を描き、波長が0.05～4.7 nmの範囲のX線を放出します。[ 9 ]
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します。光レーザーのように、電子ビーム利得媒体を複数回通過するX線を反射するミラーを構築す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ます。その結果、レーザー光のようにコヒーレント（同位相）なX線光子の自然放出が生じます。これは、X線装置などの通常の光源から放出される非コヒーレントなX線とは異なります。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1万倍です。[ 9 ]電子エネルギーが高いため、より短い波長を生成できます。[ 10 ]光パルスの持続時間は100フェムト秒未満です。[ 9 ]
欧州XFELには7つの観測装置があり、世界中の科学者によって運用されている。
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[ 11 ] 。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線放出分光計で構成されており、散乱検査用の1メガピクセルの大型検出器と同時に使用できる。サンプルを励起するために、この装置には紫外線（UV）から赤外線（IR）まで使用できる超高速レーザーも備わっている。
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線を用いて極限的な圧力、温度、または電場条件下で物質を調査できる独自の実験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。科学的応用には、系外惑星内部で見られる物質、高密度プラズマ、極限的な圧力または高磁場下の物質などの調査が含まれます。最初のユーザー実験は2019年5月に行われました。それ以来、集束装置、分光器、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、最適化されています。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を備えた2番目の実験チャンバー、特殊なレーザーシステム、およびレーザー衝撃装置を提供しました。
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学（SPB/SFX）[ 14 ]装置は、マイクロメートル範囲の物体に関するデータを原子分解能まで提供できます。
SCSは、欧州XFELの軟X線分光および散乱装置です。SCSの科学的関心は、量子材料および分子における光誘起過渡現象の探究に集中しています。ビームラインには、単色操作用の軟X線回折格子モノクロメーターが設置されています。[ 15 ] [ 16 ]
この装置には、さまざまな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。[ 16 ]
CHEMチャンバーとXRDチャンバーは、高分解能共鳴非弾性X線散乱分光計と組み合わせることで、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実験を実行できます。[ 16 ]
FFTチャンバーとCHEMチャンバーはどちらも、前方散乱DEPMOSセンサー信号圧縮（DSSC）検出器に接続できます。[ 17 ] [ 18 ] [ 16 ]
SCSは、サンプル中の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光レーザー結合装置が装備されており、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が可能になります。[ 16 ]
SQS装置は、軟X線波長放射における光と物質の相互作用の基本過程を調査するために開発されました。調査対象は、孤立した原子から大きな生体分子まで多岐にわたり、典型的な手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。[ 19 ]
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未満の超短パルスFEL と同期光レーザーを組み合わせることで、非常に高い解像度で超高速核ダイナミクスを捉えることができます。[ 19 ]
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比類のないコヒーレンス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、例えばガラス形成や磁性の研究といった凝縮系物理学から、超高速流体力学プロセスのイメージング、さらにはコロイド、細胞、ウイルスといった軟質材料や生体材料まで多岐にわたります。
イメージングは、古典的な位相差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ており、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、様々な応用例があります。多くの場合、目的は調査対象構造の3次元表現を得ることです。位相回復法を用いることで、逆空間で測定された回折パターンから、散乱体の実空間における可視化へと変換することが可能です。
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ける基礎研究の普遍的な関心事であり、液体やガラス中の粘弾性流動や散逸から、ポリマーダイナミクス、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、磁気ドメインスイッチングなど、多岐にわたるプロセスを含みます。極めて高輝度でコヒーレンスの高い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におけるダイナミクスを研究する、これまでになかった可能性を切り開きます。
施設内の実験は、 Karaboと呼ばれる社内開発の制御システムによって制御されます。[ 20 ]これは、C++とPythonで書かれた分散型SCADAシステムです。
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可能になります。X線レーザーの波長は0.05～4.7 nmの範囲で変化させることができ、原子スケール での測定が可能になります。 [ 9 ]
現在、7つの装置を備えた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 ]
実験用ビームラインにより、物理学、化学、材料科学、生物学、ナノテクノロジーなど、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独自の科学実験を実施することが可能になります。[ 22 ]
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の下、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日に開始された。トンネルの建設は2012年の夏に完了し、[ 25 ]地下工事は翌年にすべて完了した。[ 26 ]
2017年に運用が開始されました。最初のビームは4月に加速され、最初のX線ビームは2017年5月に生成されました。 [ 3 ] [ 4 ] XFELは9月に開所しました。[ 5 ]施設の建設と運用開始にかかった総費用は2017年時点で以下のとおりです。推定12億2000万ユーロ（2005年価格水準）[ 9 ]
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