Nhiều tiến bộ trong khoa học vật liệu và cấu trúc công nghệ kể từ những năm 1970 đã được phát triển thông qua việc thăm dò vật liệu bằng bức xạ synchrotron. Đây là bức xạ tia X năng lượng cao được tạo ra thông qua việc gia tốc các electron năng lượng cao. Thế hệ nguồn mới nhất hiện nay là hệ thống laser điện tử tia X (XFEL), mạnh hơn nhiều so với các nguồn trước đó. Tuy nhiên, hệ thống này chỉ có các tập đoàn quốc tế và một số nước giàu mới có thể tiếp cận được vì giá thành cao.
Mới đây, một nhóm chuyên gia quốc tế đã xây dựng một thiết kế cho hệ thống XFEL nhỏ gọn hơn và tiết kiệm chi phí hơn, có thể tiếp cận được với các quốc gia nhỏ và một số phòng thí nghiệm. Thiết kế này được công bố trên Tạp chí Vật lý Châu Âu – Số đặc biệt. Ba thế hệ đầu tiên của các nguồn tia X năng lượng cao này được tạo ra bằng cách sử dụng nguồn bức xạ synchrotron: máy gia tốc hạt trong đó các electron di chuyển quanh một đường tròn cố định và được kích thích để phát ra các photon bức xạ điện từ trong phạm vi tia X bằng nam châm mạnh.
Phối cảnh cơ sở XLS. Tổng chiều dài là 483,6 m (Nguồn: Tạp chí Vật lý Châu Âu (2024). DOI: 10.1140/epjs/s11734-023-01076-0).
Bức xạ synchrotron (SR) là công cụ nghiên cứu cơ bản và không thể thiếu trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau cũng như các ứng dụng bao gồm khoa học vật liệu, vật lý vật chất ngưng tụ, vật lý nguyên tử và phân tử, khoa học đời sống và y học, hóa học và khoa học môi trường. Vì lý do này, việc sử dụng bức xạ synchrotron đã tăng lên rất nhiều trong những thập kỷ qua, được chứng minh bằng số lượng nguồn sáng synchrotron chế tạo để phục vụ nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Thế hệ nguồn SR mới nhất dựa trên laser điện tử tự do (FEL) được điều khiển bởi máy gia tốc LINAC. Các cơ sở này, với độ dài xung dưới pico giây và bước sóng đến phạm vi tia X năng lượng cao có hiệu suất chưa từng có ở độ sáng cực đại, vượt xa nhiều bậc độ lớn so với synchrotron thế hệ thứ ba và tạo ra các cơ hội nghiên cứu quan trọng.
Công nghệ laser điện tử tự do liên quan đến các electron tăng tốc dọc theo một đường tuyến tính giữa một dãy nam châm mạnh gọi là bộ chuyển động. Cơ cấu này kích thích các electron tạo ra các tia X năng lượng cực cao đặc biệt có xung rất ngắn, mạnh hơn nhiều so với xung được tạo ra bởi các nguồn synchrotron. Nghiên cứu thiết kế CompactLight có sự tham gia của một tập đoàn gồm 31 tổ chức, chủ yếu có trụ sở tại Châu Âu và bao gồm 23 phòng thí nghiệm thuộc khu vực học thuật hoặc khu vực công và 5 công ty tư nhân. Hiệp hội bao gồm cộng đồng những tổ chức tiềm năng trong lĩnh vực học thuật và công nghiệp trong thiết kế các thông số kỹ thuật phù hợp nhất có thể cho các ứng dụng hiện tại và tương lai bao gồm vật lý, hóa học, khoa học vật liệu và sinh học cấu trúc. Thiết kế được công bố chỉ dài dưới 500m, tương đương khoảng 2/3 chiều dài của SwissFEL gần Zurich. Quan trọng hơn, nó có thể được xây dựng với chi phí khoảng 7,5 triệu Euro, nhỏ hơn rất nhiều so với chi phí của cơ sở ở Thụy Sĩ. Các nguồn XFEL được xây dựng theo thông số kỹ thuật này sẽ mang công nghệ tiên tiến và quan trọng đến với hàng nghìn nhà khoa học khác trên toàn thế giới.
CompactLight là Nghiên cứu Thiết kế được Liên minh Châu Âu tài trợ theo chương trình tài trợ đổi mới và nghiên cứu Horizon 2020, với Thỏa thuận tài trợ số 777431. Dự án bắt đầu vào tháng 1 năm 2018 với thời gian 48 tháng, nhằm thiết kế một cơ sở FEL tia X năng lượng cao tiên tiến, nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí, được bổ sung bởi nguồn tia X mềm để mở đường cho máy gia tốc nhỏ gọn trong tương lai. Kết quả dự án là một máy gia tốc có thể hoạt động ở tốc độ lặp lại xung lên đến 1 kHz, vượt xa công nghệ tiên tiến ngày nay, sử dụng các khái niệm mới nhất cho bộ phát quang điện tử có độ sáng cao, cấu trúc gia tốc gradient rất cao trong dải X và chu kỳ ngắn.
Nhiều cải tiến và hệ thống tiên tiến đã được thiết kế dành riêng cho cơ sở CompactLight. Đặc biệt:
- Nguồn điện tử: Đối với nguồn điện tử, đã thiết kế một bộ phát quang dải C cải tiến có gradient hoạt động lên tới 180 MV/m, có thể cung cấp hai chùm e 75 pC trên mỗi xung RF với mức phát xạ chuẩn hóa dưới 0,2 mmmrad.
- Bộ tuyến tính hóa chùm tia: Sự phát triển của bộ tuyến tính hóa tần số rất cao có tầm quan trọng rộng rãi đối với các máy gia tốc yêu cầu chùm ngắn, bao gồm máy gia tốc plasma và RF tần số cao. Các nhà khoa học đã thiết kế một hệ thống băng tần Ka hoạt động ở tần số 36 GHz để tuyến tính hóa không gian pha dọc XLS. Hệ thống băng tần Ka dựa trên cấu trúc sóng lan truyền 300 mm, được cấp nguồn bằng RF 3 MW và hoạt động với độ dốc tích hợp là 12,7 MV. Các nhà khoa học đã xác định hai tùy chọn khả thi cho nguồn RF: klystron đa tia chế độ bậc cao (HOM MBK) và con quay hồi chuyển.
- Hệ thống làm lệch sóng phụ: Cấu trúc làm lệch sóng phụ băng tần S (3 GHz), hoạt động ở chế độ TM110, được thiết kế để tách hai bó trước khi bơm vào nam châm vách ngăn, tách chúng thành hai đường FEL. Khoảng cách ngang giữa hai dầm ở vách ngăn là 2,5 mm. Khoảng cách giữa hai bó, 6 hoặc 10 chu kỳ RF băng tần X, là 1,5 hoặc 2,5 chu kỳ RF ở băng tần S. Do đó, hai bó có thể được đặt ở đỉnh và đáy của chu kỳ RF của bộ làm lệch sóng hài phụ, sao cho các cú kích tác dụng vào hai bó theo hướng ngược nhau và sự phân tách được tối đa hóa đối với một điện áp kích cho trước.
- Chuỗi bộ tạo sóng: Trong thiết kế CompactLight, cùng một dây chuyền tạo sóng được sử dụng trong cả hai dây chuyền SXR và HXR FEL. Thiết kế đảm bảo rằng các thông số bộ tạo sóng được chọn phù hợp để cân bằng hiệu suất đầu ra như nhau giữa SXR và HXR. Tính năng này cho phép cơ sở nhỏ gọn hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Dây chuyền tạo sóng dự đoán sẽ có một bộ tạo sóng siêu dẫn xoắn ốc cải tiến, với chu kỳ 13 mm và khe hở 4,2 mm, sau đó là bộ đốt sau APPLE X với chu kỳ 19 mm và khe hở 5 mm. Chiều dài của mỗi mô-đun là 1,75 m.
Mỗi hệ thống cải tiến này cũng có thể được sử dụng “độc lập” trong nhiều ứng dụng máy gia tốc khác nhau (tức là máy va chạm hạt năng lượng cao trong tương lai, máy gia tốc nhỏ gọn cho y học, bộ điều khiển plasma, v.v.) trong đó các hệ thống thông thường không thể đáp ứng hiệu suất yêu cầu. Các hệ thống này có thể được coi là “khối xây dựng” cho cả cơ sở photon lớn và nhỏ, dựa trên các linac điện tử năng lượng thấp hoặc năng lượng cao, với độ phức tạp và chi phí khác nhau, có thể được lắp đặt và vận hành từ Cơ sở hạ tầng khoa học lớn hoặc ở cấp độ phòng thí nghiệm của trường đại học, với không gian và khả năng chi phí hạn chế.
Từ khóa: bức xạ; tia X; synchrotron;
– CMD&DND –
