컴팩트 x

2009년 캘리포니아의 SLAC 국립 가속기 연구소에서 최초의 XFEL(엑스레이 자유 전자 레이저)이 열렸을 때, 이는 원자 규모의 세계를 보는 새로운 방법을 제공하여 광합성과 같은 생화학적 과정과 이국적인 물질 등의 세부 사항을 밝혀냈습니다. 초전도체로서. 그러나 그 이후로 전 세계적으로 수십억 달러 규모의 시설이 4개만 건설되었으며 이에 대한 시간을 확보하는 것이 어렵습니다.

애리조나 주립대학교(ASU) 템피(Tempe)의 연구진은 이제 이전에 나온 어떤 것보다 훨씬 작고 저렴한 새로운 종류의 자유 전자 레이저를 만들 계획입니다. 이번 달 ASU는 국립과학재단(National Science Foundation)으로부터 9,100만 달러의 보조금을 받은 후 1억 7,000만 달러 규모의 CXFEL(Compact X-ray Free Electron Laser) 프로젝트에 착수할 것이라고 발표했습니다. 이 설계를 통해 기계를 대학 실험실에 접근할 수 있고 접근성이 확장될 수 있습니다.

1992년에 처음으로 XFEL을 제안한 SLAC의 물리학자인 Claudio Pellegrini는 "이것은 우아한 아이디어입니다. 모든 사람이 더 작은 시스템을 만들고 싶어합니다."라고 말합니다.

XFEL은 단파장 X선이 더 긴 파장의 빛에는 보이지 않는 세부 사항을 분해할 수 있기 때문에 원자 세계에 대한 탁월한 프로브입니다. 또한, 짧은 펨토초 X선 펄스는 고속 카메라처럼 작동하여 연구자들이 전자 및 원자의 움직임과 같은 초고속 프로세스를 포착하는 데 도움을 줍니다.

이러한 최고의 공간적, 시간적 해상도에 도달하려면 표준 XFEL에는 킬로미터 길이의 선형 가속기가 필요합니다. 이는 전자를 최대 10GeV(기가전자볼트)의 에너지, 즉 빛 속도의 99.9999995%까지 증폭시킵니다. 그런 다음 전자는 교대로 극성으로 배열된 일련의 자석인 "언듈레이터"를 통과합니다. 전자는 자기장을 통해 흔들리면서 X선을 방출합니다. 빛과 전자 사이의 상호 작용으로 인해 전자는 레이저처럼 뭉쳐서 동시에 방출됩니다.

ASU 팀은 부피가 큰 자기 언듈레이터를 다가오는 전자 열차에 직접 비추는 레이저로 교체할 계획입니다. ASU 물리학자이자 CXFEL의 수석 과학자인 Bill Graves는 모든 전자기 방출과 마찬가지로 레이저에도 자기장이 관련되어 있다고 말합니다. "전자가 레이저를 만나면 언듈레이터에서처럼 흔들릴 것입니다." 그러나 언듈레이터 필드의 극성이 몇 센티미터에 걸쳐 교대로 나타나는 경우 레이저 필드는 빛의 파장(단지 1마이크로미터)에 따라 시소처럼 움직입니다.

이 초고주파 언듈레이터는 전자가 훨씬 낮은 에너지에서 흔들리고 X선을 방출하도록 만들 수 있음을 의미합니다. 단지 30메가전자볼트까지만 가속하면 되는데, 이는 표준 XFEL에 필요한 10GeV보다 훨씬 쉬운 일입니다. 이는 XFEL의 설치 공간을 크게 줄여 1km에서 단 10m로 줄입니다.

낮은 에너지 전자빔을 사용하여 팀은 결정 회절기와 자석을 사용하여 전자를 촘촘하게 묶인 다발로 미세하게 패턴화할 수 있습니다. 다발로 묶인 전자는 서로 동기적으로 더 많이 흔들리고 그 결과 더 일관성 있는 X선 빛을 생성합니다. 또한 번칭으로 인해 펨토초 미만의 짧은 펄스가 생성됩니다.

이러한 짧은 펄스는 엽록소 분자가 광합성 중에 햇빛을 포착하는 방식을 잠재적으로 밝힐 수 있다고 ASU 생화학자이자 CXFEL 팀 구성원인 Petra Fromme는 말합니다. "우리는 이전에 누구도 본 적이 없는 것들을 볼 수 있습니다."

ASU의 물리학자인 Sam Teitelbaum은 고온 초전도에서 이국적인 자기 상태에 이르기까지 설명할 수 없는 수많은 현상을 생성할 수 있는 재료의 전자 거동에 대한 민감한 프로브로 CXFEL을 사용할 계획입니다. 배운 교훈은 새로운 초전도 물질이나 보다 안정적인 데이터 저장 장치에 영감을 줄 수 있습니다.

새로운 장치는 빠르고 일관된 펄스를 제공하지만 표준 XFEL과 거의 동일한 성능을 제공하지는 않습니다. 그 펄스는 훨씬 덜 밝으며 개별 X선 광자는 더 큰 이전 제품보다 더 긴 파장을 갖습니다. 이는 CXFEL이 더 큰 XFEL이 볼 수 있는 가장 작은 세부 사항 중 일부를 놓칠 것임을 의미합니다. 반면, 에너지 펄스가 낮을수록 일반적으로 대규모 시설에서 제거되는 샘플에 대한 손상이 줄어듭니다.