Nazwa projektu: PolFEL – Polski Laser na Swobodnych Elektronach (faza 1.0)
Projekt realizowany w ramach Działania 4.2 Programu Inteligentny Rozwój 2014-2020, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
Projekt realizowany przez Konsorcjum w składzie:
Narodowe Centrum Badań Jądrowych – lider konsorcjum
Wojskowa Akademia Techniczna
Politechnika Warszawska
Politechnika Łódzka
Politechnika Wrocławska
Uniwersytet Zielonogórski
Uniwersytet w Białymstoku
Uniwersytet Jagielloński
Cele projektu:
Cel bezpośredni projektu: Bezpośrednim celem projektu PolFEL, który został wpisany na Polską Mapę Drogową Infrastruktury Badawczej, jest stworzenie nowoczesnej infrastruktury badawczej – zgodnej ze strategicznymi kierunkami rozwoju kraju – w obszarze 2. Rozwój nauki poprzez badania interdyscyplinarne.
Cele pośrednie projektu: Osiągnięcie bezpośredniego celu projektu umożliwi realizację celów pośrednich:
Utworzenie docelowo 16 nowych etatów naukowych w obrębie utworzonej infrastruktury badawczej PolFEL
Wykorzystanie infrastruktury PolFEL dla celów prowadzonej działalności gospodarczej zarówno przez zainteresowane podmioty zewnętrzne (przedsiębiorcy, ośrodki naukowe etc.) – w wymiarze co najmniej 40% czasu pracy urządzeń, jak też własnej (w tym komercjalizacja rezultatów prowadzonych badań naukowych i prac rozwojowych).
Realizacja prac badawczo-rozwojowych w szeroko pojętym obszarze fizyki, chemii, biologii molekularnej, medycyny, techniki i badań materiałowych, zarówno na własny użytek, jak i na zlecenie zainteresowanych podmiotów zewnętrznych, w tym przedsiębiorców, w ramach gospodarczego wykorzystania infrastruktury (usługi badawcze i badania kontraktowe).
Opis projektu:
Podjęcie prac nad budową lasera na swobodnych elektronach umożliwia nie tylko udostępnienie polskim naukowcom nowoczesnego urządzenia, które może być wykorzystywane w wielu dziedzinach nauki i techniki ale także pozwala na włączenie się w programy europejskie. Dzięki temu projektowi Polska podkreśla swoje znaczenie na mapie wielkich instalacji badawczych Europy. Warto zaznaczyć, że budowa PolFEL nie stanowi konkurencji dla projektu synchrotronu krakowskiego. Te dwa źródła emitują promieniowanie o zupełnie innych charakterystykach i stanowią urządzenia komplementarne.
Projekt PolFEL polskiego lasera na swobodnych elektronach przygotowany przez konsorcjum ośmiu jednostek naukowych uzyska finansowanie z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój. Decyzja o przeznaczeniu na ten cel kwoty ponad 118 mln. zł dotarła do NCBJ, gdzie powstać ma nowe urządzenie badawcze. Polski projekt będzie wspierany naukowo i technicznie m.in. dzięki współpracy NCBJ z twórcami najpotężniejszego tego typu urządzenia na świecie pracującego od roku w Hamburgu.
Lasery na swobodnych elektronach, których już kilkadziesiąt powstało na świecie, pozwalają badać z niedostępną innymi metodami precyzją materiały, molekuły chemiczne, cząsteczki biologiczne i dynamikę procesów, w których one uczestniczą. Wyniki badań prowadzonych przy użyciu tych urządzeń mogą mieć rewolucyjne znaczenie dla medycyny, chemii czy elektroniki.
„Mamy ambitny plan by zbudować PolFEL w ciągu najbliższych czterech lat” – wyjaśnia dr Paweł Krawczyk (NCBJ), który kieruje projektem. „W konstrukcji naszego lasera na swobodnych elektronach można wydzielić cztery zasadnicze elementy. Pierwszy z nich to źródło elektronów wyposażone w nadprzewodzącą fotokatodę. Kolejne, to cztery nadprzewodzące kriomoduły przyspieszające elektrony do energii osiągającej maksymalnie 180 MeV. Na drodze wiązek rozpędzonych elektronów zostaną umieszczone dwa undulatory, w których elektrony będą poruszać się slalomem w niejednorodnym, specjalnie ukształtowanym polu magnetycznym. W czasie wymuszonego ruchu oscylacyjnego nastąpi akcja laserowa i elektrony będą emitować fotony układające się w niezwykle krótkie, lecz intensywne impulsy spójnego promieniowania elektromagnetycznego, czyli światła. Na końcu układu znajdą się trzy stanowiska eksperymentalne, do których będą wyprowadzone wiązki fotonów i jedno wykorzystujące wiązkę elektronów. ” PolFEL będzie mógł wytwarzać światło o długości fali powyżej 100 nanometrów, a więc obejmującej część zakresu ultrafioletu. Badacze będą mieli do dyspozycji także promieniowanie o większej długości fali, w tym promieniowanie terahercowe i podczerwone. „Planujemy, by PolFEL działał nie tylko w trybie impulsowym – tak jak wszystkie dotychczas istniejące lasery na swobodnych elektronach – ale również w trybie fali ciągłej, w którym pulsy promieniowania generowane są ze stałą częstością” – dodaje dr Krawczyk. „Pozwoli to na badanie niektórych rzadkich procesów, umykających dotychczas stosowanym metodom.”
PolFEL powstanie w przebudowanej, historycznej hali pierwszego zbudowanego w Świerku akceleratora protonów Andrzej. Obok niej wzniesiona zostanie nowa hala mieszcząca stanowiska badawcze. Do hali Andrzeja dobudowane zostaną pomieszczenia nowego laboratorium fotokatod nadprzewodzących.
Realizacja przedsięwzięcia będzie możliwa dzięki ogromnemu doświadczeniu zdobytemu przez polskich naukowców i inżynierów podczas budowy lasera XFEL w Hamburgu. NCBJ jest współudziałowcem międzynarodowej spółki będącej jego właścicielem, a w budowie lasera obok NCBJ uczestniczyły także inne polskie instytucje w tym IFJ PAN i Wrocławski Park Technologiczny.
Owocne partnerstwo NCBJ z laboratorium w Niemczech jest nadal podtrzymywane. 25 czerwca został podpisany aneks do umowy o współpracy pomiędzy NCBJ a European XFEL GmbH. Dotychczasowa umowa przewidywała współpracę przy przetwarzaniu danych zbieranych przez eksperymenty prowadzone w Hamburgu. W aneksie rozszerzono pole współpracy w dziedzinie przetwarzania danych oraz dodano wspólne prace nad technologiami wykorzystywanymi w laserach na swobodnych elektronach, a także zaplanowano udział NCBJ w przygotowywaniu koncepcji wykorzystania dwóch z pięciu tuneli wyprowadzających wiązki cząstek z akceleratora XFEL. „Konsorcjum XFEL jest zainteresowane między innymi prowadzonymi u nas od kilku lat pracami nad ołowianymi fotokatodami nadprzewodzącymi” – wyjaśnia dyrektor NCBJ, prof. Krzysztof Kurek. „Opracowywane fotokatody mają umożliwić pracę laserów na swobodnych elektronach w trybie fali ciągłej lub w trybie długich impulsów. Takie katody chcemy zastosować także w laserze, który zostanie zbudowany w Świerku. ” Naukowcy z NCBJ zgłaszają również koncepcję wykorzystania nowatorskiej metody uzyskiwania monoenergetycznych wiązek fotonów gamma w jednym z kanałów XFELa. Fotony takie powstawałyby w wyniku zderzenia elektronów pochodzących z akceleratora lasera z wiązką fotonów emitowaną przez tradycyjny laser. Ta koncepcja ma być realizowana również w projekcie PolFEL.
Laboratorium PolFEL, które powstanie w ośrodku jądrowym NCBJ w Świerku, będą współtworzyć gospodarze oraz specjaliści z Wojskowej Akademii Technicznej, Politechniki Warszawskiej, Politechniki Łódzkiej, Politechniki Wrocławskiej, Uniwersytetu Zielonogórskiego, Uniwersytetu w Białymstoku i Uniwersytetu Jagiellońskiego. Polskich naukowców będą wspierać partnerzy NCBJ – m.in. laboratoria DESY, STFC Lab Daresbury, a także European XFEL GmbH i firmy RI Research Instruments GmbH i Kubara Lamina S A. Większość środków będzie pochodziła z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój ustanowionego przez Unię Europejską. Jednostką wdrażającą Program pośredniczącą w procesie finansowania przedsięwzięcia jest Ośrodek Przetwarzania Informacji (OPI) – Państwowy Instytut Badawczy.
Informacje uzupełniające:
Więcej na temat parametrów lasera:
Akcelerator lasera PolFEL będzie działał w trybach fali ciągłej (cw) i długiego impulsu (lp). Elektrony będą rozpędzane przez cztery kriomoduły, mieszczące w sumie 8 wnęk typu TESLA SRF. Wiązki o energii 120 MeV i 160 MeV w trybie cw i lp zostaną skierowane do undulatora VUV, podczas gdy niższe wiązki energii będą napędzać undulator THz. Wygenerowane promieniowanie w zakresie od 0,3 mm do 150 nm dla pierwszej harmonicznej (50 nm dla trzeciej harmonicznej) zostanie dostarczone do eksperymentów przeprowadzanych w dedykowanej sali eksperymentalnej. Oczekiwana energia impulsu będzie na poziomie 100 μJ dla VUV i dziesiątek mikrodżuli dla promieniowania THz. Maksymalna częstotliwość błysków fotonowych w wiązce wyniesie 100 kHz. Wiązka elektronów po przejściu przez undulator VUV będzie wtórnie wykorzystywana do generowania neutronów lub będzie używana do rozpraszania wstecznego Comptona. Część czasu pracy urządzenia zostanie poświęcona badaniom nad rozwojem technologii FEL i nowym komponentom akceleratora we współpracy ze STFC Daresbury, E-XFEL i DESY.
Laser impulsowy UV (lub z modułem generacji harmonicznych w zakresie UV) do czyszczenia fotokatody
Pomocniczy układ laserowy impulsowy femto/piko-sekundowy o wysokiej repetycji (do istniejącego układu laserowego nie wytworzone w ramach projektu) w celu zapewnienia ciągłości pracy źródła elektronów
Układy generacji harmonicznych (drugiej i czwartej harmonicznej) do laserowych układów femto/piko-sekundowych o wysokiej repetycji (istniejącego i pomocniczego)
Systemy prowadzenia i kształtowania wiązki
Układ optyczny prowadzący wiązkę z lasera do źródła elektronów
Układ optyczny kształtujący wiązkę lasera na potrzeby emisji paczki elektronów o optymalnym kształcie
Stół optyczny z stabilizacją drgań
Układy diagnostyczne wiązki laserowej
Mierniki mocy wiązki i energii w impulsie
Mierniki położenia wiązki
Mierniki rozkładu mocy/energii w przekroju poprzecznym wiązki
Mierniki szerokości impulsu laserowego w czasie
Spektrometry badający widmo światła laserowego
Stół optyczny z stabilizacją drgań
Układ optyczny w części diagnostycznej z torem optycznym o tej samej drodze, jaką musi przebyć wiązka laserowa do źródła elektronów
Inne układy (kamery szybkie itp.) do diagnozy impulsów laserowych
Systemy wspomagające
Układ antywibracyjny pozwalający na minimalizację drgań w torze optycznym lasera
Osłony systemu prowadzenia/kształtowania wiązki oraz układu diagnostycznego
Systemy zdalnego sterowania wiązką laserową i jej parametrami oraz elementami optycznymi i opto-mechanicznymi
Elementy infrastruktury technicznej
Przyłącza systemu stabilizacji cieplnej wysokotemperaturowej (woda)
Przyłącza systemów dystrybucji gazów technicznych
Podpory oraz systemy pozycjonowania
Okablowanie systemowe
Czujniki przepływu, czujniki ciśnienia, czujniki temperatury
2 undulatory płaskie ze zmienną szerokością szczeliny, na magnesach trwałych:
- o długości struktury magnetycznej 8 m i okresie 2 cm, - o długości struktury magnetycznej 4 m i okresie 5 cm,
Każdy undulator składa się ze stalowej ramy, wspartych na niej dwóch aluminiowych belek i przymocowanych do nich uchwytów mocujących kilkaset bloków magnesów trwałych, układu śrub, motorów i przekładni zapewniających ruch belek, układu enkoderów czujników położenia, układu sterowania.
Kolektory wiązki
Systemy kolimacji i odchylania wiązki
Układ optyki elektronowej (elektromagnesy chłodzone powietrzem): 8 dipoli, 10 małych dipoli korekcyjnych, 15 kwadrupoli.
- Komory eksperymentalnej z czujnikami środowiskowymi do utrzymania bardzo niskiej wilgotności - Stołu optycznego z stabilizacją drgań
Układ dzielący wiązkę fotonową THz na stanowiska badawcze
Układ prowadzenia wiązki THz w atmosferze o bardzo niskiej wilgotności (rury)
Zestawy optyki (soczewki, zwierciadła, filtry, dzielniki wiązki, itp.) i optomechaniki (uchwyty, stoliki przesuwne manualne i z silnikami, itp.) do przeprowadzania eksperymentów na wiązce
Układ spektroskopii pump-probe
Układy optyczny łączący wiązkę lasera optycznego i wiązkę THz
Elektroniczny układ kontroli
System detektorów
Systemy optyki i opto-mechaniki
Linie opóźniające
Układy diagnostyczne wiązki laserowej
Anteny generujące/odbierające wiązkę THz z całym układem wspomagającym (Wzmacniacz Lock-in, zasilacze itp.)
Uchwyt na próbki do badań transmisyjnych i odbiciowych z akcesoriami (kuwety do próbek ciekłych i gazów, mieszadło magnetyczne itp.) do badań różnych materiałów
Aparatura
Mierniki mocy i/lub energii (min 3 szt)
Szybkie detektory promieniowania (min 3 szt)
Kamera THz do bezpośredniej wizualizacji wiązki
Kamera termowizyjna do pośredniej wizualizacji wiązki
Skaner wiązki 2D i skaner kątowy
Kriostat
Moduł temperaturowy
Spektrometr FTIR
Pryzmat ATR
Dwa układy lock-in wraz z choper-ami
Układ do grzania próbek
Kuwety do badań cieczy i gazów
Pastylarka do wykonywania próbek stałych
4 stacje National Instruments PXI wraz z układami kontrolnymi
4 stacje LabView
Mikroskop optyczny polaryzacyjny z akcesoriami (stolik grzejny/chłodzący, kamera CCD itp.)
Spektrometr Ramana
Elementy infrastruktury technicznej
Przyłącza systemu stabilizacji cieplnej niskotemperaturowej
Przyłącza systemu stabilizacji cieplnej wysokotemperaturowej (woda)
Układ do wytwarzania i diagnostyki wstecznie rozproszonego promieniowania komptonowskiego: komora próżniowa, układy optyczne promieniowania elektromagnetycznego pierwotnego i rozproszonego
Systemy kolimacji i odchylania wiązki
Kwadrupole ogniskujące
Dipole odchylające (korektory)
Okno wyjściowe
Układy diagnostyczne wiązki
Aparatura pomiarowa
Miernik mocy wiązki
Monitory wiązki typu BPM
Monitory wiązki typu „YAG Screen Chamber”
Elementy infrastruktury technicznej
Przyłącza systemu stabilizacji cieplnej wysokotemperaturowej (woda)
Monitory sygnałów w.cz. – nieszczelność układu dystrybucji mocy mikrofalowej
Detektory gazów wykorzystywanych w instalacji, w szczególności He (nieszczelność układu kriogenicznego)
System przeciwpożarowy
System Bezpieczeństwa Personelu (PPS):
Komponenty główne
System kontroli dostępu, wyłączający akcelerator w przypadku wykrycia osoby w obszarze zabronionym (tunel akceleratora w czasie pracy) np. poprzez otwarcie drzwi.
System sygnalizacji wizualnej i dźwiękowej informujący o aktualnym stanie maszyny oraz przeprowadzanych działaniach (np. uruchamianie akceleratora)
System komunikacji głosowej (intercom, łączność bezprzewodowa)
Budynek (przybudówka do hali nr 5) laboratorium źródła elektronów (badanie fotokatod, pomieszczenie laserowe i biurowe)
Hala nr 5, w której zostanie zainstalowany akcelerator (wkład własny, rzeczowy do projektu)
Kriomoduł przyspieszający
Międzynarodowy Kriomoduł Testowy, 2 x 7 wnęk – uzyskany niezależnie od projektu w ramach współpracy naukowej z STFC, używany do testów i prac rozwojowych lub wymiennie z jednym z kriomodułów 2x9 wnęk
Aparatura optyczna
Laser nanosekundowy LOTIS
Laserowy układ impulsowy femto/piko-sekundowy wysokiej repetycji (w trakcie procedury wyboru i zakupu) generujący wiązkę podczerwoną:
- z modułem generacji drugiej i czwartej harmonicznej - z innymi podsystemami takimi jak Optyczny Wzmacniacz Parametryczny, pozwalającymi na przestrajanie długości fali od ultrafioletu do światła widzialnego
Systemy Wspomagające
System stołów optycznych.
Układy diagnostyczne wiązki laserowej w laboratorium laserowym
Podłączenie do schładzania fotokatody do temperatury ciekłego He
Aparatura próżniowa
Komora próżniowa do badań fotokatod
Systemy diagnostyczne w komorze próżniowej do badania fotokatod (Spektrometr Augera, układ badania prądu ciemnego, układ pomiaru prądu emisji z fotokatody)
Systemy diagnostyki próżni
System pompowy dla próżni wysokiej (pompa turbo, pompa scroll)
Pompa jonowa
Elementy infrastruktury technicznej
Przyłącza systemu stabilizacji cieplnej niskotemperaturowej (hel)
Przyłącza systemu stabilizacji cieplnej wysokotemperaturowej (woda)
Przyłącza systemów dystrybucji gazów technicznych
Podpory oraz systemy pozycjonowania
Okablowanie systemowe
Czujniki przepływu, czujniki ciśnienia, czujniki temperatury
Pomieszczenia czyste klasy 10000 dla pracy lasera oraz stanowiska badań fotokatod wraz z układem stabilizacji temperatury
Polish 
English
Nazwa projektu:
Projekt PolFEL polskiego lasera na swobodnych elektronach przygotowany przez konsorcjum ośmiu jednostek naukowych uzyska finansowanie z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój. Decyzja o przeznaczeniu na ten cel kwoty ponad 118 mln. zł dotarła do NCBJ, gdzie powstać ma nowe urządzenie badawcze. Polski projekt będzie wspierany naukowo i technicznie m.in. dzięki współpracy NCBJ z twórcami najpotężniejszego tego typu urządzenia na świecie pracującego od roku w Hamburgu.
