XFEL

 

Elindult a világ legerősebb röntgenlézere Hamburgban, ahogy korábban is beszámoltunk róla. Az európai XFEL-nek (European X-ray free-electron laser-nek) Magyarország is tagja. Az európai lézer nagyon gyakori és fényes ultrarövid röntgenimpulzusaival új lehetőségeket kínál a mikrovilág vizsgálatában és áttörést hozhat a fizika, a kémia, és a biológia számos területén.

xfel2

 

A lézerrel végzett legelső felhasználói kísérletnél „lendületes” kollégáink is jelen voltak.

Kollegaink

A képen balról jobbra: Vankó György, Woiciech Gawelda, Németh Zoltán látható

Mit kell tudni az európai röntgenlézerről?

A lézer egy 3,4 km hosszú komplexumban helyezkedik el, 40 méterrel a föld alatt. A videó az XFEL alagútjának egészét bemutatja, szemlélteti az elektronnyaláb, és az ebből képződő lézernyaláb útját, ill. az út végén a két elkészült kísérleti állomást, ahol a kutatók a lézert felhasználják a kísérleteikhez.

 

A lézer  27 ezer villanást fog produkálni másodpercenként. A kísérletek szempontjából ez olyan mintha a fényképezőgépünk másodpercenként 27 ezer képet készítene.

Fényképezés

 

Ezek a villanások azonban időben nem teljesen egyenletesen történnek, hanem 10 darab 2700-as sorozatban, melyek rögzítéséhez már 4,5 Mfps-os, azaz másodpercenként 4,5 millió képet rögzíteni tudó berendezések kellenek. A dolgokat tovább komplikálja, hogy az XFEL a hagyományos röntgenforrásoknál egymilliárdszor fényesebb röntgenfelvillanást állít elő, így a „kamerák” dinamikai tartományának is nagynak kell lennie, tehát egyformán jól kell detektálniuk a nagyon kevés és nagyon sok fényt is.

Az XFEL bemutatása a Deutsche Welle-n:

 

Németh Zoltán és Vankó György, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont „Lendület” Femtoszekundumos Spektroszkópiai Kutatócsoportjának tagjai a stanfordi és a japán röntgenlézereknek tapasztalt felhasználóiként kapcsolódtak be az elsők között az európai XFEL-nél végezett  kísérletekbe:

„Feltettük Magyarországot az XFEL térképére; képletesen, de szó szerint is.”-mesélte Németh Zoltán.

Térkép

Vankó György és Németh Zoltán

„A European XFEL FXE-berendezésénél ugyanis van egy térkép, amin a felhasználók gombostűvel megjelölik, honnan jöttek, és a tű fején lévő gyöngy színe jelzi, hány felhasználó járt már ott az adott helyről. Magyarországot így most a két főnek megfelelő piros fejű gombostű jelzi.

térkép2

 

 

A kutatók az FXE mérőállomáson tervezett tipikus kísérletekben először optikai fénnyel gerjesztenek molekulákat, hogy azután azokat röntgensugárzásra épülő technikákkal vizsgálhassák. Ezen technikák a molekulák szerkezetét és tulajdonságait is feltárják az átalakulásuk közben, az átalakulásuk időskáláján. Ehhez a vizsgálathoz igen rövid és fényes felvillanások szükségesek, amelyeket a röntgenforrások közül csak az XFEL-ek tudnak szolgáltatni.

vankó

A spektrométer árnyékolásán  dolgozik munkatársunk

„A molekulák átalakulásainak pontos részleteinek feltárásával, később megértésével lehetővé válhat hatékony molekuláris eszközök vagy fényhasznosító rendszerek, gyógyszerek tervezése is. – modta Vankó György  csoportvezető. –

 „Ilyen vizsgálatokat itthon ultragyors lézerekkel ugyan végzünk az MTA Lendület-programjának támogatásával, ill. a Széchenyi 2020 programbéli VEKOP-projekt keretében, ám a femtoszekundumos röntgenes szondák alkalmazása gazdag kiegészítő információkat szolgáltat a molekulák mágnesezettségéről, atomi szerkezetéről.”- folytatta a kutató.

Az XFEL első kísérleteinél a vadonatúj berendezéseket először fel kellett éleszteni és tesztelni is kellett. Ehhez a két magyar kutató a kedvenc molekulájukat használta, amely nem más, mint egy vasvegyület. Ezen vasvegyület a molekuláris kapcsolóknak egy modellvegyülete. A tesztelés során a kutatók ezt a vasvegyületet, molekulát fénnyel kapcsolták át egy másik mágneses állapotába, hogy ellenőrizhessék, megfelelően változott-e az állapota,  működött-e a kísérlet.

„Az Európai XFEL-ben nagyon gyorsan jönnek egymás után a röntgenimpulzusok, és kérdéses volt, hogy nem ionizálódik-e vagy károsodik-e a minta. A röntgennyalábot és a látható lézert például úgy hoztuk átfedésbe, hogy először egy vékony acéllemezt helyeztünk a mintapozícióba, amit a röntgennyaláb szinte azonnal átfúrt ez is mutatja a nyaláb intenzitását.Az így keletkezett lyukon átvezetve a látható lézert sikerült a nyalábok térbeli átfedését elérni. A molekulákat tartalmazó oldatot ugyan átspricceltük a nyalábon egy szivattyúval, azonban az XFEL paraméterei miatt ugyanazt a mintaterületet egymás után tízszer is eltalálta a röntgen- és a lézernyaláb is. Ennek ellenére nem tapasztaltuk a kísérlet során a molekulák ionizációját, vagy egyéb kémiai átalakulását, azaz roncsolódását.”-mondta Vankó György

xfel5

Németh Zoltán a mintakörnyezeten dolgozik

„Izgalmas kísérlet volt, ezért dolgozom, hogy ilyen méréseket végezhessek. Az XFEL-ek röntgenfotonjainak nincs párja, ugyanis azok segítenek feltárni az anyag átalakulásának az alkimisták óta keresett titkait.” – mondta Németh Zoltán.

A magyar csapat egy hétig tartózkodott Hamburgban, két amerikai, egy japán, egy német kollégájukkal együtt mértek a helyi kutatócsoport kb. egy tucat aktív tagjával együtt.

elso felhasználok

Az első felhasználók az XFEL-ben

Az XFEL nem csupán a molekuláris eszközök kifejlesztésében segíthet, de a segítségével a kutatók nagy hatékonysággal tárhatják fel a vírusok és sejtek molekuláris összetételét, háromdimenziós képeket készíthetnek a nanoszféráról, lefilmezhetik a kémiai reakciókat és tanulmányozhatják a bolygók mélyében lezajló folyamatokat is.

A röntgenlézer létrehozásában 11 ország - Dánia, Franciaország, Lengyelország, Magyarország, Németország, Olaszország, Oroszország, Spanyolország, Svájc, Svédország és Szlovákia vett részt.

Virtuális túra az XFEL-ben: http://winweb.desy.de/pr/Virtueller_Rundgang/xfel/index.html