英国开始探索是否建立自己的billion-pound-plus XFEL

英国正在考虑建立一个大型x射线自由电子激光(XFEL)设施的成本可能超过十亿英镑。科学家遇见1月30日在伦敦的英国皇家学会讨论他们想要的东西从这样的设施,这将在2030年代开始操作,如果从政府得到了绿灯。

会议发布了£320万UKXFEL概念设计和期权分析项目,2022年6月宣布从2022年10月到2025年9月。它的目标是看看如何实现层次XFEL功能。包括产生x射线的新方法,生产高脉冲率和多色x射线可以使便宜的实验。

马克汤姆森执行主席英国科学与技术设施理事会资助机构,决定提前开车XFEL讨论2018年任命。这是之前的英国XFEL计划后,被称为新光源项目,失败了。在2010年因与之相关的风险。汤姆森告诉manbetx手机客户端3.0只,他认为新XFEL技术将启用新的科学。”我还不认为我们探索的深度自由电子激光,”汤姆森说。我认为这就是为什么这是非常激动人心的。

在2018年,而不是发展自己的乐器,英国加入德国欧洲XFEL Schenefeld贡献2%到€15亿(£13.4亿)建设成本。英国开始支付2%的欧洲XFEL年度€1.4亿年运营成本,尽管这一数字已上升到7%,根据约翰·科利尔英国中央主任在德激光设备。反映高需求从英国科学家访问欧洲XFEL约8 - 9%的实验。

英国最近成立一个专门的政府部门科学、创新和技术表明它可能支持国内XFEL支出。然而,否则吝啬的政策和一个国家遭受生活危机,XFEL自身可能出现的不必要的奢侈品。汤姆森承认,其结果之一就是认为建立一个XFEL实在太贵了。”或我们可能会说,嗯,实际上,这看起来非常激动人心的时刻,我们想出的东西真正XFEL技术向前迈出的一步,”他说。在大约三年的时间,一旦我们做过的作品,我们会问这些问题。”

转变经济

汤森补充说,除了英国单干构建一个XFEL设施,另一个选择是一个国际合作可以建立一个新的XFEL在英国。或者英国可以建立一个测试设备作为一个跳板XFEL更大。其他选项包括投入更多支持用户去英国现有设施或延长生命生命科学和物理XFEL中心,帮助培训人员和准备样品分析欧洲XFEL等设施。最后的选择是英国建筑设施位于一个XFEL海外执行实验

新设施推进XFEL功能,或许最关键的一步是扩大实验的数量。XFELs能够产生x射线脉冲数百万次比从大规模的同步脉冲源和一个hundred-thousandth持续时间、持久的飞秒。梁包括x射线光谱纯度高,主要旅游前后一致地在不同波长窄带宽的阶段。这使x射线实验,包括衍射和光谱,研究特殊时间分辨率的重要化学过程。

德国、瑞士、意大利、美国、日本、韩国和中国都有XFELs,与其他新能源计划。

当前欧洲XFEL运行每周三个实验装置,在年底7 x射线仪器能够接收三个beamlines。其发射率是目前27000脉冲/秒,或27千赫。罗伯特Feidenhans孩子们管理委员会主席欧洲XFEL指出,这意味着每年100实验装置周围的设施可以做今天。把XFEL之间的运行成本同样设置了当前价格标签€140万/实验。

乔其来自伦敦帝国学院强调SLAC国家加速器实验室的的(拼箱)XFEL这项研究在美国可以改变输出。其准确LCLS-II升级将增加其燃烧速度约10000倍,从120赫兹到1 mhz。因此LCLS-II升级结果UKXFEL项目结果至关重要。

除了这个将提供额外的数据,燃烧速度越快可以改变XFEL经济学。x射线脉冲可能会分裂,或多路复用,在许多实验,例如,与10 beamlines做实验100 khz发射率。这将大大增加的数量XFEL实验成为可能。

更高的心率也会帮助化学家,说茱莉亚温斯坦谢菲尔德大学的。高重复率脉冲x射线可以让更好的同步与其他超速整个电磁波谱。如果加上明亮的x射线,这将使实验更敏感,提供信噪比足够高去探索许多重要和基本的区域。一个例子可能是研究中间状态称为激子形成光伏电池将太阳能转换为电能。另一个可能是调查材料的核和/或电子自旋的行为,这可能是重要的量子计算和加密。

动态的未来

温斯坦还设想脉冲率高和高亮度启用分子的电影的化学反应,捕捉债券形成和破坏,结构和电子密度的变化。需要结合x射线衍射,x射线光谱分析与其他分析技术包括红外线和紫外线和电子束,以及这些精确同步的能力。

x射线脉冲率高会帮助捕获蛋白质如何移动和反应,补充道艾伦奥维尔钻石光源的德,英国生命科学XFEL中心的首席科学家。他回忆起第一个连环飞秒x射线晶体学实验XFEL,出版于2015年。它揭示了一氧化碳与肌红蛋白的光离解喷洒成千上万的不同晶体样品通过x射线喷射。小心用激光同步触发光离解建立了停止运动电影sub-nanometre空间分辨率和时间分辨率的几百飞秒。这样的自由电子激光可以带给我们的机会学习功能和结构相同的样本和x射线脉冲”,奥维尔说。

这个能力模型蛋白质的动态动作和反应目前之外从Google分支DeepMind AlphaFold结构预测系统,奥维尔集锦。他还强调,目前AlphaFold不能做许多事情,包括预测结构绑定到配体或代数余子式,这意味着许多挑战仍然存在,尤其是在催化。XFEL高时间分辨率将有助于理解蛋白质动力学、人工智能算法最终会利用。

为Amelle率领阿托秒量子实验室主管伦敦国王学院,下一代英国XFEL将提供一个独特的机会去比飞秒短时间尺度水平,到阿托秒领域。在这里就可以审查问题在量子力学层面,可能使量子控制的反应和提高光催化系统,率领说。这需要非常聪明的阿托秒x射线脉冲。

也许令人惊讶的是,XFELs还承诺帮助研究物质在非常高的温度和压力,解释道艾玛·迈克布莱德从贝尔法斯特女王大学。宇宙中大多数物质存在于这些条件,她解释道,但在凝聚态理论和等离子体物理不描述它们。我们需要这种状态非常直接和全面的实验性的研究理解的事情,但也建立一个健壮的和预测理论,”她说。激光加热和压缩材料的唯一途径数百帕。交替,XFELs可以用来研究极其短暂的高压状态在钻石砧细胞实验,包括在材料科学和化学。他们甚至可以被用来制造极端国家通过直接x射线加热。

更好的光束

会议的科学家的愿望将意味着提高x射线激光是怎样制成的,主要的方法称为self-amplified自发发射。研究者希望产生变换有限的x射线脉冲,即脉冲持续时间是最短的。产生脉冲率高的梁通常涉及电子与超导加速腔增加能量。然后光束经过一个磁铁的波纹机并排铺设的极性交替指向相反的方向。这使得电子左右移动,改变方向时发射x射线。电磁场从第一个x射线帮助电子聚成一团,然后发出更亮,更连贯,x射线。

一个选项来提高这是创建一个XFEL振荡器(XFELO)。两个镜子之间的XFELO把波纹机只在窄范围的波长反射,与一些x射线可以通过其中的一个。由此产生的脉冲可以好几个数量级比现有的波纹机方法和近变换有限,评论帕特里克·劳德国电子同步加速器,谜底,在汉堡。欧洲XFEL由于委员会在2024年一个实验来证明这一原则。

新方法还应该进一步减少x光脉冲的波长的带宽。然而,其强调有一个脉冲持续时间和带宽之间的权衡。阿托秒脉冲会相对广泛的与持久的几百飞秒。

其解释说,UKXFEL分析过程将涉及会议每三个月在英国不同地区在18个月期间从2023年中期到2024年底。会议将结合拓展与细节尽可能多的潜在用户特定的科学领域。研究人员想要应对概念设计和期权分析可以参加这些会议。

对参加这些会议的科学家来说,这可能会推动最大、最先进的设施。但拼箱XFEL的导演迈克•邓恩指出,除了建筑成本,运营成本是很重要的因素,这在他看来是每年1.75亿美元左右(£1.46亿)。你想要做的最后一件事是建立一个英镑的设施,然后总是低估自己剥削,”邓恩说道。“其实更好的建立一个略小的设施和充分利用它。”

更正:乔其的联系是2023年2月2日更新。