Nowoczesne synchrotrony dla Polski

Nowoczesne synchrotrony dla Polski

Podczas niedawno zakończonego Krajowego Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego naukowcy dyskutowali o kluczowych problemach związanych z budową w Polsce źródeł synchrotronowych najnowszej generacji. Lasery zbudowane na bazie źródeł synchrotronowych pozwolą zajrzeć do wnętrza żywych komórek, cząsteczek i materiałów, umożliwią badanie ich struktur oraz zachodzących tam reakcji.

Na europejskiej mapie dużych infrastruktur badawczych o fundamentalnym znaczeniu dla rozwoju nauki i przemysłu Polska ciągle pozostaje białą plamą. O problemach budowy w naszym kraju nowoczesnego synchrotronu i lasera na swobodnych elektronach dyskutowano podczas VIII Krajowego Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego (KSUPS), które odbyło się w dniach 24-26 września w Podlesicach koło Zawiercia.

Promieniowanie synchrotronowe pojawia się, gdy elektrony poruszają się w polu magnetycznym z prędkością zbliżoną do prędkości światła i doznają przyspieszeń zmieniających kierunek ich ruchu. W źródłach promieniowania najnowszej generacji – laserach na swobodnych elektronach (Free Electron Laser, FEL) – szczytowe natężenie światła w impulsie może być miliard razy większe niż w urządzeniach poprzedniej generacji.

Potencjał naukowy i przemysłowy nowych źródeł promieniowania synchrotronowego jest ogromny, dlatego w wielu krajach Europy trwają prace nad ich budową. W Niemczech powstaje gigantyczny synchrotron PETRA III i europejski laser rentgenowski XFEL, Szwedzi właśnie przystąpili do wznoszenia kolejnego synchrotronu MAX IV. W Krakowie trwają przygotowania do budowy pierwszego polskiego synchrotronu. Znacząca redukcja budżetu pierwotnego projektu – ze 140 mln euro do zaledwie 40 mln – spowodowała jednak, że powstanie urządzenie o istotnie mniejszych możliwościach badawczych niż pierwotnie zakładano.

Zgodnie z nową propozycją, zmodyfikowany synchrotron krakowski miałby być urządzeniem o działaniu dwufazowym. W pierwszej fazie elektrony byłyby przyspieszane w akceleratorze liniowym długości 29 m do energii 700 MeV (megaelektronowoltów*) i gromadzone w pierścieniu akumulacyjnym. W drugiej fazie dodatkowy akcelerator długości 59 m przyspieszałby elektrony do energii 1,5 GeV (gigaelektronowoltów). Obecnie finansowanie projektu pozwalałoby na zrealizowanie tylko pierwszego etapu budowy, przy ograniczeniu liczby linii eksperymentalnych do jednej. W istotny sposób ogranicza to możliwości równoległego wykorzystywania synchrotronu przez użytkowników z różnych dziedzin nauki i przemysłu. Niestety, naukowcom nie udało się na razie uzyskać dodatkowych pieniędzy na realizację drugiego etapu budowy. Podkreślono jednak, że nowa szansa pojawiłaby się w 2014 roku wraz z rozpoczęciem kolejnego okresu finansowania w Unii Europejskiej.

Oprócz synchrotronu krakowskiego istnieje projekt budowy w Polsce drugiego nowoczesnego źródła promieniowania synchrotronowego. Instytut Problemów Jądrowych opracował założenia budowy lasera na swobodnych elektronach POLFEL. Promieniowanie emitowane przez lasery FEL jest skoncentrowane w bardzo krótkich impulsach, trwających femtosekundy (10-15 s). Cecha ta umożliwia filmowanie przebiegu reakcji chemicznych i procesów biologicznych. Lasery FEL są pierwszymi „kamerami” mogącymi filmować tak szybkie zjawiska. Co więcej, podobnie jak w holografii, spójność światła laserowego pozwala na rejestrowanie obrazów trójwymiarowych.

Dobierając energię elektronów, łatwo modyfikować długość fali wiązki laserowej i dopasować ją do struktury energetycznej atomów próbki. W ten sposób można np. lokalizować atomy w cząsteczkach białek. Olbrzymia moc impulsu pozwala również na modyfikowanie powierzchni materiałów w celu nadawania im niezwykłych własności. Wybudowanie lasera POLFEL stymulowałoby więc powstawanie i rozwój nowych gałęzi nauki i przemysłu w Polsce.

*) 1 GeV = 1012 eV; 1 MeV = 109 eV; 1 eV to energia, jaką elektron zyskuje w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 V. Zwiększenie energii elektronów znajdujących się w materii o 1 eV oznaczałoby wzrost temperatury o 11 605 stopni.

O projekcie POLFEL

Projekt POLFEL (www.polfel.pl) zakłada budowę unikatowego w skali Polski urządzenia badawczego – lasera na swobodnych elektronach, przeznaczonego do badań naukowych i zastosowań komercyjnych. Lasery na swobodnych elektronach (FEL – Free Electron Laser) wytwarzają spójną wiązkę promieniowania o długości fali regulowanej od fal milimetrowych do promieniowania rentgenowskiego. Intensywność i jakość promieniowania o wiele rzędów wielkości przewyższa obecne źródła promieniowania. Lasery FEL znajdują zastosowanie w fizyce, chemii, biologii, materiałoznawstwie, badaniach środowiska i medycynie. Pozwolą zajrzeć do wnętrza żywych komórek, cząsteczek i materiałów, umożliwią badanie ich struktur oraz zachodzących tam reakcji.

O Instytucie Problemów Jądrowych

Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku (www.ipj.gov.pl) zajmuje się badaniami podstawowymi z dziedziny fizyki subatomowej (fizyka cząstek elementarnych i jądrowa, fizyka plazmy gorącej itp.) oraz stosowaniem metod fizyki jądrowej i produkcją urządzeń dla rozmaitych gałęzi nauki i gospodarki, w tym medycyny.