Laser de raios X SHINE da China alcança a primeira emissão de luz, enquanto Xangai aponta para abertura em 2027

Um feixe de 4 GeV aproxima um grande projeto de Xangai da entrada em funcionamento

A instalação de investigação SHINE, na China, produziu a sua primeira luz de laser de eletrões livres com um feixe de eletrões a 4 gigaeletrões-volt (GeV), metade da energia prevista para o acelerador concluído. A Universidade ShanghaiTech anunciou o avanço a 21 de outubro, assinalando um passo importante rumo ao objetivo do projeto de estar concluído e em funcionamento até ao final de 2027.

A primeira luz foi gerada com 18 módulos onduladores, cada um com 4 metros de comprimento e contendo um padrão magnético que se repete a cada 55 milímetros. Em conjunto, estes módulos fornecem 72 metros de estruturas magnéticas que guiam os eletrões rápidos ao longo de um percurso sinuoso, levando-os a emitir luz que se intensifica até formar um impulso laser intenso.

SHINE, sigla de Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility, foi concebida para ajudar os cientistas a examinar estruturas à escala dos nanómetros e alterações que duram femtossegundos. Um nanómetro corresponde a mil milhões de avos de um metro; um femtossegundo corresponde a um milionésimo de mil milionésimos de segundo. Estas escalas permitem aos investigadores estudar as minúsculas estruturas e os movimentos rápidos dos átomos e das moléculas.

A construção começou em abril de 2018. Quando estiver concluído, o acelerador linear supercondutor deverá atingir 8 GeV, com alguns modos de funcionamento a fornecerem até um milhão de impulsos de raios X por segundo. Prevê-se que as duas primeiras linhas de onduladores abranjam energias de fotões dos 0,2 aos 15 quiloeletrões-volt (keV).

A conquista imediata é a produção de luz laser durante a fase de comissionamento, o processo de pôr o equipamento em funcionamento e verificar o seu desempenho. As experiências de rotina para investigadores visitantes continuam a fazer parte da transição planeada para a entrada em funcionamento em 2027. A ShanghaiTech ainda não anunciou uma data exata de abertura nem um calendário de candidaturas para investigadores.

Como os eletrões em movimento produzem um laser de raios X

A SHINE começa com eletrões, em vez do material que produz luz encontrado em muitos lasers conhecidos. O seu acelerador linear dá energia a esses eletrões e envia-os depois através de onduladores, onde campos magnéticos alternados os fazem oscilar lateralmente e emitir radiação.

Os eletrões e a radiação interagem à medida que atravessam módulos sucessivos. Em condições adequadas, os eletrões agrupam-se em pequenos conjuntos que emitem em simultâneo, intensificando a luz até formar um impulso potente. A energia dos eletrões e o espaçamento das estruturas magnéticas ajudam a determinar a energia dos fotões resultantes, as partículas individuais que compõem a luz.

O valor de 4 GeV refere-se ao feixe de eletrões usado para obter a primeira luz. O intervalo dos 0,2 aos 15 keV refere-se aos fotões esperados das duas primeiras linhas. Estas são medidas de diferentes partes da máquina: GeV refere-se aqui às partículas que impulsionam o processo, enquanto keV se refere aos raios X fornecidos para as experiências.

A SHINE utiliza um acelerador supercondutor de onda contínua. Os componentes supercondutores funcionam a temperaturas muito baixas e conduzem correntes elétricas com uma resistência muito reduzida. O funcionamento em onda contínua permite que os campos de radiofrequência do acelerador operem continuamente, suportando feixes frequentes de eletrões em vez de dependerem de impulsos muito espaçados.

Três linhas de feixe, com diferentes intervalos de energia

A primeira fase, considerada no seu conjunto, é mais ampla do que o equipamento utilizado no marco da primeira luz. O artigo de progresso de 2024 do projeto, apresentado na Conferência Internacional de Aceleradores de Partículas, descreve três linhas de onduladores, três linhas de transporte de raios X e 10 estações experimentais, que abrangem um intervalo de energia de fotões de referência dos 0,4 aos 25 keV.

A FEL-I foi concebida para os 3 a 15 keV, a FEL-II para os 0,4 a 3 keV e a FEL-III para os 10 a 25 keV. A FEL-II produz raios X de menor energia, ou mais «suaves». As outras duas linhas produzem raios X mais duros, com maior energia de fotões e comprimentos de onda mais curtos.

O intervalo dos 0,2 aos 15 keV referido no anúncio mais recente diz respeito às duas primeiras linhas. O intervalo de referência mais amplo, dos 0,4 aos 25 keV, inclui a FEL-III. O artigo de 2024 também descreve um desvio adicional que forneceria um feixe de eletrões de 5 GeV à FEL-II, alargando a sua emissão até aos 0,2 keV.

O mesmo artigo especifica 42 onduladores planares para a FEL-I e 32 para a FEL-II, além de quatro onduladores a jusante que podem ajustar a polarização, isto é, a direção em que oscila o campo elétrico da luz. Os 18 módulos utilizados para obter a primeira luz representam uma configuração de comissionamento entre as previstas para esta instalação de maior dimensão.

O desempenho também varia consoante a linha. O projeto prevê impulsos com cerca de 30 femtossegundos de duração e taxas de repetição até 1 MHz para a FEL-I e a FEL-II, ou seja, um milhão de impulsos por segundo. Um estudo técnico de 2023 indica que a FEL-III pode atingir 0,1 MHz, ou 100 000 impulsos por segundo.

O que os cientistas poderão observar com impulsos tão curtos

As ciências da vida, os materiais quânticos e a investigação sobre a energia do futuro estão entre as aplicações previstas para a SHINE. A combinação de escalas espaciais diminutas com exposições muito curtas é fundamental para estes objetivos: os investigadores querem perceber tanto a forma como a matéria está organizada como as alterações dessa organização.

Um impulso curto de raios X pode captar uma etapa de um processo rápido. Repetir uma experiência com diferentes intervalos entre o início do processo e a sua observação pode ajudar os investigadores a reconstituir uma sequência de alterações, como fotogramas separados que formam um filme. Os impulsos frequentes oferecem mais oportunidades para recolher medições, o que pode ser especialmente útil quando os sinais individuais são fracos.

Está previsto que as estações experimentais iniciais utilizem imagiologia por difração coerente, espectroscopia ultrarrápida de raios X, medições de fotoeletrões e cristalografia serial de femtossegundos. A imagiologia por difração reconstrói a estrutura a partir do padrão formado quando os raios X são dispersos por uma amostra. A espectroscopia analisa a forma como a matéria absorve ou emite radiação, revelando informações sobre a sua estrutura eletrónica.

A cristalografia serial de femtossegundos recolhe padrões de difração de muitos pequenos cristais expostos a impulsos muito curtos. As técnicas de fotoeletrões medem os eletrões libertados pela luz, ajudando os investigadores a estudar o comportamento dos eletrões nos materiais. Em conjunto, os métodos previstos dão à SHINE várias formas de relacionar a estrutura microscópica com alterações físicas ou químicas rápidas.

Maior controlo sobre a própria luz

A linha de raios X suaves da SHINE está a ser concebida para oferecer vários modos de funcionamento, em vez de um único tipo de impulso. Um estudo de 2023 sobre a linha de feixe, publicado na Frontiers in Physics, descreve como opções de base a emissão espontânea autoamplificada, a auto-sementeira, a sementeira externa e o controlo da polarização.

Na emissão espontânea autoamplificada, frequentemente abreviada como SASE, o laser desenvolve-se a partir da radiação inicial dos próprios eletrões. A sementeira utiliza, em vez disso, um sinal inicial mais controlado. A auto-sementeira filtra parte da radiação de raios X e utiliza-a para impulsionar uma amplificação adicional; a sementeira externa começa com um laser separado. Estes métodos procuram produzir luz com um espetro e uma estrutura temporal controlados com maior precisão.

O estudo descreve um radiador de raios X suaves com 32 módulos, cada um com 4 metros de comprimento, que utiliza um período magnético principal de 55 milímetros. Catorze módulos a montante foram concebidos com períodos comutáveis de 55 e 75 milímetros. Esta flexibilidade permite diferentes condições de funcionamento e técnicas para converter a radiação de um laser-semente em comprimentos de onda mais curtos.

Algumas tecnologias relacionadas já tinham sido testadas na instalação separada de raios X suaves de Xangai, conhecida como SXFEL. O estudo regista emissão laser nos 47.º e 54.º harmónicos, utilizando a geração de harmónicos assistida por eco, um método que organiza os eletrões para emitirem em múltiplos da frequência de um laser-semente. Regista também um sinal no 61.º harmónico.

Um monocromador, instrumento ótico que seleciona um intervalo estreito de energias de fotões, foi testado na SXFEL no final de 2022. Atingiu um poder de resolução superior a 5300 a 520 eletrões-volt. Este trabalho de desenvolvimento contribui para o objetivo de fornecer impulsos de raios X mais precisamente selecionados na SHINE. O estudo aborda também possibilidades futuras, incluindo impulsos com duração de attossegundos, mil vezes mais curtos do que um femtossegundo.

Um laser de 100 petawatts para condições extremas

A SHINE prevê também uma Estação de Luz Extrema que combinaria o seu laser de eletrões livres com um laser ultracurto com uma potência nominal de 100 petawatts. O projeto descreve-a como a primeira estação experimental do mundo a combinar um laser com essa potência e um laser de eletrões livres.

Um petawatt corresponde a um bilião de watts. O valor de 100 petawatts refere-se à potência de pico durante um impulso extremamente breve. Concentrar energia num intervalo tão curto cria campos eletromagnéticos potentes para experiências com matéria em condições extremas.

O artigo de progresso de 2024 identifica a eletrodinâmica quântica de campos fortes como um dos objetivos de investigação da estação. A eletrodinâmica quântica descreve a interação entre a luz e as partículas com carga elétrica. Campos extremamente fortes permitem aos investigadores estudar essa interação em condições muito além das encontradas em experiências laboratoriais comuns.

A instalação combinada destina-se também a apoiar a física de densidade de energia elevada, que estuda matéria com uma grande quantidade de energia concentrada num pequeno volume. A utilização conjunta de um laser ótico intenso e de uma sonda de raios X numa mesma experiência permitiria aos investigadores criar condições extremas e observar o que acontece no seu interior.

Coordenar uma máquina com mais de 3 quilómetros

A SHINE estende-se por aproximadamente 3,1 quilómetros e foi construída a cerca de 29 metros de profundidade. A sua dimensão torna a sincronização, o controlo do equipamento e a proteção rápida componentes essenciais do instrumento científico, a par do acelerador e dos ímanes.

Um artigo sobre o sistema de controlo, publicado na Nuclear Engineering and Technology, descreve um sistema concebido para controlar até 10 000 dispositivos. Entre estes incluem-se fontes de alimentação, lasers, equipamento de vácuo e outros componentes distribuídos pelo complexo do acelerador.

O sistema utiliza a plataforma Experimental Physics and Industrial Control System, conhecida como EPICS, para ligar os controlos dos equipamentos às interfaces dos operadores, à recolha de dados e à monitorização. Uma rede de sincronização baseada na tecnologia White Rabbit distribui sinais de relógio pela instalação. O sistema de sincronização do injetor já tinha sido instalado e utilizado com sucesso, distribuindo sinais a 1,003086 MHz.

A proteção da máquina é outra tarefa exigente. O projeto monitoriza cerca de 5000 sinais de falha e utiliza eletrónica programável para reduzir ou interromper o feixe quando as condições do equipamento o exigem. O artigo indica tempos de resposta inferiores a um microssegundo dentro de uma estação e inferiores a 30 microssegundos entre estações. A proteção rápida ajuda a limitar os danos caso um feixe potente se desvie das condições previstas.

Quando o artigo foi submetido, apenas o injetor estava operacionalmente funcional e o sistema de controlo do acelerador completo ainda estava em desenvolvimento. O anúncio posterior da primeira luz assinala uma etapa mais avançada do comissionamento. A integração do acelerador, do transporte da radiação, dos sistemas de proteção e das estações experimentais continua a ser fundamental para a transição planeada para a utilização científica de rotina.

Quem está a construir a SHINE e o que se segue

A Universidade ShanghaiTech é a entidade jurídica responsável pela construção. As suas funções incluem o planeamento do projeto, a supervisão da engenharia, a gestão da qualidade e da segurança e a futura operação e garantia de acesso aberto. É também responsável pela engenharia civil, por cinco estações experimentais e por parte da construção das linhas de feixe.

O Instituto de Investigação Avançada de Xangai da Academia Chinesa de Ciências é responsável pelo acelerador, pelos onduladores, pelos serviços técnicos e por algumas linhas de feixe. O Instituto de Ótica e Mecânica Fina de Xangai está a construir a estação da linha de feixe de fotofísica extrema. Esta divisão reparte entre várias instituições o acelerador, o equipamento experimental e a futura operação ao serviço dos utilizadores.

Os marcos publicados do projeto mostram a progressão da construção subterrânea até ao comissionamento do feixe:

• Abril de 2018: início da construção civil em Xangai.
• Final de 2022: um teste de monocromador na SXFEL atingiu um poder de resolução superior a 5300 a 520 eletrões-volt.
• Abril de 2023: início da instalação do injetor da SHINE.
• Final de 2023: todos os poços e túneis estavam concluídos, segundo o artigo de progresso de 2024.
• Anúncio de 21 de outubro: a ShanghaiTech divulgou a obtenção da primeira luz com um feixe de eletrões de 4 GeV e 18 módulos onduladores.
• Final de 2027: data prevista para a conclusão e entrada em funcionamento da SHINE.

Os calendários técnicos anteriores foram sendo revistos à medida que a construção avançava. O estudo de 2023 sobre a linha de feixe previa o comissionamento da FEL-II na primavera de 2025. O artigo de progresso de 2024 considerava possível, mas difícil, obter a primeira emissão laser até ao final de 2025, prevendo experiências com utilizadores em 2027. O anúncio mais recente aponta para o final de 2027 como data prevista para a conclusão e entrada em funcionamento.

A SHINE é descrita como uma de duas instalações deste tipo que combinam impulsos frequentes com capacidade de laser de eletrões livres de raios X duros. A outra é a atualização de alta energia da Linac Coherent Light Source II, em construção nos Estados Unidos. Para os investigadores, o valor prático do projeto de Xangai dependerá do acesso aos intervalos de energia, modos de impulso e estações experimentais previstos, após a conclusão do comissionamento.

Pontos-chave

• A SHINE obteve a primeira luz em Xangai com um feixe de eletrões de 4 GeV e 18 módulos onduladores.
• O acelerador concluído foi concebido para atingir 8 GeV, o dobro da energia dos eletrões utilizada neste marco.
• Prevê-se que as duas primeiras linhas abranjam dos 0,2 aos 15 keV; o intervalo de referência das três linhas estende-se até aos 25 keV.
• Alguns modos de funcionamento visam fornecer um milhão de impulsos de raios X por segundo, com duração de dezenas de femtossegundos.
• A primeira fase prevê 10 estações experimentais, incluindo uma estação que combinará raios X com um laser de 100 petawatts.
• A Universidade ShanghaiTech lidera o projeto, cuja conclusão e entrada em funcionamento estão previstas para o final de 2027.