Solaris (synchrotron)

Prof. dr hab. Marek Stankiewicz mówi o Synchrotronie Solaris
Podkast Nauka XXI wieku. Prof. dr hab. Marek Stankiewicz mówi o Synchrotronie Solaris

SOLARIS – pierwszy polski synchrotron, zbudowany w Krakowie przez Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS, jednostkę pozawydziałową Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Pierścień akumulacyjny z lotu ptaka -widok na magnesy

Synchrotron SOLARIS to akcelerator elektronów, oraz nowoczesne urządzenie badawcze generujące promieniowanie elektromagnetyczne od podczerwieni do promieniowania rentgenowskiego. Synchrotron przyspiesza wiązkę elektronów do energii 1,5 GeV, umożliwiając z zastosowaniem undulatora otrzymanie promieniowania synchrotronowego o energii fotonu z zakrsu miękkiego promieniowania rentgenowskiego (linia PEEM/XAS, do 2000 eV) lub dalekiego ultrafioletu (linia UARPES, 8 - 100 eV). Przeznaczone jest do badań w wielu dziedzinach nauki, m.in. w biologii, fizyce, chemii, medycynie, archeologii, historii sztuki.

Synchrotron SOLARIS - budynek znajdujący się na kampusie UJ

Budynek, w którym znajduje się synchrotron, zlokalizowany jest na terenie Kampusu 600-lecia Odnowienia Uniwersytetu Jagiellońskiego. Sąsiaduje z podstrefą specjalnej strefy ekonomicznej zarządzanej przez Krakowski Park Technologiczny.

Nazwa synchrotronu SOLARIS pochodzi od powieści Stanisława Lema, który mieszkał i pracował w Krakowie[1].

HistoriaEdytuj

 
Widok na linie badawcze - 2018

Starania związane z powstaniem polskiego synchrotronu rozpoczęły się w 1998 roku, gdy grono profesorów z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego i Akademii Górniczo-Hutniczej, w tym również członków Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego, wystąpiło do ówczesnego Komitetu Badań Naukowych z inicjatywą budowy synchrotronu oraz utworzenia Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego.

Formalny wniosek w sprawie budowy polskiego źródła promieniowania synchrotronowego wpłynął do Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w 2006 r.[2]. W 2009 r. Uniwersytet Jagielloński podpisał umowę o współpracy ze szwedzkim laboratorium MAX-Lab, działającym przy Uniwersytecie w Lund. Porozumienie zakładało budowę dwóch bliźniaczych ośrodków promieniowania synchrotronowego: w Polsce i w Szwecji. Projekty synchrotronów wykorzystywały rozwiązania technologiczne opracowane przez szwedzkich naukowców i inżynierów.

W kwietniu 2010 r. Uniwersytet Jagielloński podpisał umowę z Ministerstwem Nauki i Szkolnictwa Wyższego na dofinansowanie projektu „Narodowe Centrum Promieniowania Elektromagnetycznego dla celów badawczych (etap I)”. Źródłem funduszy był Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka 2007-2013[3]. Budynek, w którym mieści się synchrotron, powstał w okresie od stycznia 2012 r. do maja 2014 r. W 2014 r. zakończyły się prace instalacyjne urządzeń, m.in. elektromagnesów[4] oraz komór próżniowych[5]. W czerwcu 2015 r. zespół fizyków z SOLARIS wprowadził wiązkę elektronów do pierścienia synchrotronu i zobaczył pierwsze światło przy wyjściu do linii badawczych[6]. We wrześniu 2015 r. odbyło się uroczyste otwarcie Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS[7].

Pierwsi użytkownicy linii badawczych rozpoczęli badania w październiku 2018 r.

Budowa i działanieEdytuj

Synchrotron jest akceleratorem elekronów, jego głównymi częściami są akcelerator liniowy i pierścień akumulacyjny.

Pierwszym elementem akcelaratora jest działo elektronowe, składa się ono z katody z tlenku baru emitującej elektrony oraz wstępnego akceleratora w postaci wnęki rezonansowej formującej paczki elektronów i przyspieszającej je do energii 2,8 MeV. Tak uformowane paczki elektronów trafiają do akceleratora liniowego (liniaka) o długości 40 m, przyspiesza on elektrony do energii do 600 MeV. Liniak składa się z sześciu struktur przyspieszających, między którymi są sekcje formujące i korygujące tor wiązki elektronów. Elektrony są wstrzykiwane do pierścienia akumulacyjnego przez zespół urządzeń określanych jako linia transferowa[8].

Pierścień akumulacyjny jest głównym akceleratorem w centrum SOLARIS. Układ w postaci pierścienia składa się z 12 sekcji zakrzywiających (DBA) tor ruchu i formujących wiązkę. Każda z tych sekcji składa się z magnesów dipolowych zakrzywiających oraz kwadrupolowych i sekstupolowych ogniskujących wiązkę. Sekcje zakrzywiające przedzielone są sekcjami prostymi. W dwóch sekcjach prostych zainstalowane są urządzenia przyspieszające i formatujące wiązki. W 10 można wstawić undulatory i wiglery, tworzące promieniowanie synchrotronowe[9]. Uzyskane promieniowanie jest przesyłane do urządzeń określanych jako linie badawcze.

Parametry pierścienia akumulacyjnego SOLARISEdytuj

Ważniejsze parametry pierścienia akumulacyjnego SOLARIS[9]:

  • Obwód pierścienia: 96 m
  • Energia elektronów: 1,5 GeV
  • Prąd: 500 mA
  • Główna częstotliwość: 99,91 MHz
  • Maksymalna liczba paczek elektronowych: 32
  • Emitancja horyzontalna (bez UW): 6 nm rad
  • Sprzężenie: 1%
  • Dostrojenie Qx, Qy: 11,22; 3,15
  • Naturalna chromatyczność ξx, ξy: -22,96, -17,14
  • Skorygowana chromatyczność ξx, ξy: +1, +1
  • Rozmiar wiązki (centrum sekcji prostej) σx, σy: 184 μm, 13 μm
  • Rozmiar wiązki (centrum dipola) σx, σy: 44 μm, 30 μm
  • Liczba sekcji prostych dla urządeń: 10
  • Liczba sekcji prostych technicznych: 2
  • Kompakcja pędu: 3,055 x 10-3
  • Całkowity czas życia elektronów: 13 h.

Linie badawcze synchrotronu SOLARISEdytuj

 
Stacja badawcza PEEM

Synchrotron SOLARIS rozpoczął funkcjonowanie z dwiema liniami badawczymi[10]:

  • PEEM/XAS (ang. Photoemission Electron Microscopy / X-ray Absorption Spectroscopy - fotoemisyjna mikroskopia elektronowa / rentgenowska spektroskopia absorpcyjna) – linia zoptymalizowana dla fotonów z zakresu niskoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego, wyposażona w dwie stacje badawcze: elektronowy mikroskop fotoemisyjny (PEEM) oraz komorę XAS. Elektronowy mikroskop fotoemisyjny pozwala na obrazowanie właściwości topograficznych, chemicznych, elektronowych i strukturalnych materii. Eksperymenty w komorze XAS będą dostarczać informacji o wewnętrznej strukturze magnetycznej próbki.
  • UARPES (ang. Ultra Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy – kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoelektronów) – linia dostarcza fotony w zakresie próżniowego ultrafioletu. Technika ARPES pozwala na pomiar trzech fundamentalnych dla elektronów parametrów: energii, pędu i spinu. Tym samym pozwala na pełny opis elektronowej struktury materii. Stosowana jest m.in. w badaniach nowych materiałów elektronicznych, nanostruktur, w fizyce nadprzewodników i półprzewodników.

Docelowo na hali eksperymentalnej synchrotronu SOLARIS znajdzie się kilkanaście linii badawczych. Łącznie będą one wyposażone w około trzydzieści stanowisk pomiarowych.

Linie badawcze w budowieEdytuj

W trakcie budowy w 2019 roku były linie[10][11]:

  • PHELIX:  – linia będzie wykorzystywać miękkie promieniowanie rentgenowskie wytwarzane przez undulator typu APPLE II z magnesami stałymi.

zastosowanie: w badaniach nowych materiałów (spintronika, magnetoelektronika, izolatory topologiczne) oraz cienkich warstw i wielowarstw.

  • XMCD:  – linia będzie wykorzystywać promieniowanie o zmiennej polaryzacji emitowane przez undulator EPU (ang. elliptically polarizing undulator). Zastosowanie: badania uporządkowania magnetycznego i struktury domenowej, obrazowanie chemiczne z bardzo wysoką rozdzielczością oraz spektroskopia biomolekuł.
  • SOLABS:  – linia spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego. Zastosowanie: do badań materiałowych, zarówno o charakterze podstawowym, jak i aplikacyjnym.
  • SOLCRYS:  – linia do badań strukturalnych, która będzie wykorzystywać twarde promieniowanie rentgenowskie (do 25 keV). Zastosowanie: w badaniach strukturalnych (materiały biologiczne, makromolekularne, farmaceutyczne, krystaliczne, etc.) oraz wykonywanych w ekstremalnych warunkach (wysokie ciśnienie, temperatura).  

Linie badawcze zaplanowaneEdytuj

 
Schemat aktualnych i planowanych linii badawczych[11]

Linie badawcze zaplanowane (otrzymane dofinansowanie z MNiSW)[11][12]

  • FTIR:  – linia badawcza mikroskopii absorpcyjnej w zakresie podczerwieni wraz z obrazowaniem. Zastosowanie: w biomedycynie, nanotechnologii, naukach o środowisku i wielu innych dziedzinach. Planowane badania umożliwią między innymi ukierunkowanie syntezy potencjalnych leków i ich projektowanie.
  • POLYX: – linia badawcza będzie umożliwiać wysokorozdzielcze multimodalne obrazowanie w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego. Zastosowanie: testowanie nowych rozwiązań dotyczących optyki rentgenowskiej i detektorów.
  • STXM: – stacja badawcza skaningowej transmisyjnej mikroskopii rentgenowskiej będzie stanowić element gałęzi linii badawczej XMCD. Zastosowanie: analiza chemiczna w nanoskali poprzez kombinację spektrometrii absorpcji promieniowania rentgenowskiego i mikroskopii.

Parametry budynkuEdytuj

  • Powierzchnia budynku – 8000m2
  • Powierzchnia hali wraz z pierścieniem – 3000 m²
  • Wysokość całego budynku – 19,7 m
  • Wysokość budynku nad powierzchnią ziemi – 12,5 m
  • Hala – 3,2 m poniżej poziomu terenu
  • Tunel liniaka oraz tunel technologiczny – 7,7 m poniżej poziomu terenu
  • Tunel liniaka – długość 110 m, szerokość 4,15 m
  • Tunel technologiczny – długość 110 m, szerokość 5,20 m.

BadaniaEdytuj

Dostęp do SOLARIS jest bezpłatny dla naukowców prowadzących badania niekomercyjne[13]. Dla użytkowników synchrotronu powstał specjalny portal DUO (Digital User Office), przez który mogą składać wnioski o badania[14]. Możliwe są także badania komercyjne[15].

PrzypisyEdytuj

  1. Cyclotron and Solaris | WelcomeTo.pl - CRACOW & MAŁOPOLSKA : Welcome to, Welcome to Krakow, Krakow, Cracow, Welcome to Poland, Chinese, French, Spanish, Italian, Russian, Ukrainian, Science in Cracow, Smaki Podhala, Podkarpackie, The Bieszczady, Zakopane [dostęp 2019-08-05] (pol.).
  2. Aktualizacja projektu utworzenia Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego, E. A. Gőrlich, K. Królas, K. Tomala, maj 2008
  3. Projekty - Mapa Dotacji UE, www.mapadotacji.gov.pl [dostęp 2016-02-11].
  4. Aktualności - Centrum Promieniowania Synchrotronowego, www.synchrotron.uj.edu.pl [dostęp 2016-02-11].
  5. Aktualności - Centrum Promieniowania Synchrotronowego, www.synchrotron.uj.edu.pl [dostęp 2016-02-11].
  6. Aktualności - Centrum Promieniowania Synchrotronowego, www.synchrotron.uj.edu.pl [dostęp 2016-02-11].
  7. Inauguracja Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego Solaris w Krakowie | Aktualności o polskiej nauce, badaniach, wydarzeniach, polskich uczelniach i instytutach badawczych, naukawpolsce.pap.pl [dostęp 2016-02-11].
  8. Akcelerator liniowy. [dostęp 2019-07-30].
  9. a b Pierścień akumulacyjny. [dostęp 2019-07-30].
  10. a b Linie badawcze - Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS - Uniwersytet Jagielloński, synchrotron.uj.edu.pl [dostęp 2019-07-29].
  11. a b c ulotka - https://synchrotron.uj.edu.pl/documents/1457771/138325834/ulotkaA4.pdf/cdb4e49e-ba5f-464b-a1c3-90decc95a4e9, 29 lipca 2019.
  12. Wiadomości - Uniwersytet Jagielloński, www.uj.edu.pl [dostęp 2019-07-29].
  13. Nabory wniosków - Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS - Uniwersytet Jagielloński, synchrotron.uj.edu.pl [dostęp 2019-07-29].
  14. SOLARIS - login page, www.solaris-duo.edu.pl [dostęp 2019-07-29].
  15. Nasze usługi - Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS - Uniwersytet Jagielloński, synchrotron.uj.edu.pl [dostęp 2019-07-29].

Linki zewnętrzneEdytuj