Laser Sinar-X SHINE China Mencapai Cahaya Pertama, Shanghai Menargetkan Mulai Beroperasi pada 2027

Berukuran 4 GeV, berkas ini membawa proyek besar Shanghai selangkah lebih dekat menuju operasi

Fasilitas riset SHINE milik China di Shanghai menghasilkan cahaya laser elektron bebas pertamanya dengan menggunakan berkas elektron berenergi 4 gigaelektronvolt (GeV), setengah dari energi yang direncanakan untuk akselerator yang telah rampung. ShanghaiTech University mengumumkan pencapaian ini pada 21 Oktober, menandai langkah besar menuju target proyek untuk rampung dan beroperasi pada akhir 2027.

Cahaya pertama dihasilkan dengan 18 modul undulator, masing-masing sepanjang 4 meter dan memiliki pola magnetik yang berulang setiap 55 milimeter. Secara keseluruhan, modul-modul tersebut menyediakan struktur magnetik sepanjang 72 meter yang mengarahkan elektron berkecepatan tinggi melalui lintasan berkelok, sehingga memancarkan cahaya yang terakumulasi menjadi pulsa laser intens.

SHINE, singkatan dari Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility, dirancang untuk membantu ilmuwan mengamati struktur berskala nanometer dan perubahan yang berlangsung selama femtodetik. Satu nanometer adalah sepersemiliar meter; satu femtodetik adalah sepersejuta dari sepersemiliar detik. Skala ini memungkinkan peneliti menyelidiki struktur sangat kecil dan gerakan cepat atom serta molekul.

Pembangunan dimulai pada April 2018. Setelah rampung, akselerator linear superkonduktor ini diperkirakan mencapai 8 GeV, dengan beberapa mode operasi menghasilkan hingga satu juta pulsa sinar-X per detik. Dua jalur undulator pertama diperkirakan mencakup energi foton dari 0,2 hingga 15 kil elektronvolt (keV).

Pencapaian langsungnya adalah produksi cahaya laser selama tahap komisioning, yaitu proses menyiapkan peralatan agar berfungsi dan memeriksa kinerjanya. Eksperimen rutin bagi peneliti tamu tetap menjadi bagian dari rencana transisi menuju operasi pada 2027. ShanghaiTech belum mengumumkan tanggal pembukaan pasti atau jadwal pengajuan bagi peneliti.

Bagaimana elektron yang bergerak menghasilkan laser sinar-X

SHINE mengawali proses dengan elektron, bukan bahan penghasil cahaya yang terdapat di dalam banyak laser yang umum dikenal. Akselerator linearnya memberi energi pada elektron, lalu mengarahkannya melalui undulator, tempat medan magnet bolak-balik membuat elektron bergerak ke kiri dan kanan serta memancarkan radiasi.

Elektron dan radiasi saling berinteraksi saat melaju melalui modul-modul berurutan. Dalam kondisi yang sesuai, elektron membentuk kelompok-kelompok kecil yang memancarkan cahaya secara serempak, sehingga memperkuat cahaya menjadi pulsa kuat. Energi elektron dan jarak antarstruktur magnetik membantu menentukan energi foton yang dihasilkan, yakni paket-paket individual penyusun cahaya.

Angka 4 GeV menunjukkan energi berkas elektron yang digunakan untuk menghasilkan cahaya pertama. Rentang 0,2 hingga 15 keV menunjukkan energi foton yang diperkirakan dihasilkan oleh dua jalur pertama. Keduanya merupakan pengukuran bagian mesin yang berbeda: GeV di sini merujuk pada partikel yang menggerakkan proses, sedangkan keV merujuk pada sinar-X yang dihasilkan untuk eksperimen.

SHINE menggunakan akselerator superkonduktor gelombang kontinu. Komponen superkonduktor beroperasi pada suhu sangat rendah dan menghantarkan arus listrik dengan hambatan yang sangat kecil. Operasi gelombang kontinu memungkinkan medan frekuensi radio akselerator bekerja terus-menerus, sehingga mendukung rangkaian elektron yang sering, bukan hanya mengandalkan semburan yang berjeda panjang.

Tiga jalur berkas dengan rentang energi berbeda

Tahap pertama secara keseluruhan lebih besar daripada peralatan yang digunakan dalam pencapaian cahaya pertama. Makalah kemajuan 2024 proyek ini, yang dipresentasikan pada International Particle Accelerator Conference, menjabarkan tiga jalur undulator, tiga jalur transportasi sinar-X, dan 10 stasiun eksperimen, dengan rentang energi foton dasar 0,4 hingga 25 keV.

FEL-I dirancang untuk energi 3 hingga 15 keV, FEL-II untuk 0,4 hingga 3 keV, dan FEL-III untuk 10 hingga 25 keV. FEL-II menghasilkan sinar-X berenergi paling rendah atau paling lunak. Dua jalur lainnya menghasilkan sinar-X yang lebih keras, dengan energi foton lebih tinggi dan panjang gelombang lebih pendek.

Rentang 0,2 hingga 15 keV dalam pengumuman terbaru mencakup dua jalur pertama. Rentang dasar yang lebih luas, 0,4 hingga 25 keV, juga mencakup FEL-III. Makalah 2024 itu turut menjelaskan jalur pintas tambahan yang akan menyalurkan berkas elektron 5 GeV ke FEL-II, sehingga jangkauan keluarannya meluas hingga 0,2 keV.

Makalah yang sama menyebutkan 42 undulator planar untuk FEL-I dan 32 untuk FEL-II, ditambah empat undulator di bagian hilir yang dapat mengatur polarisasi, yakni arah osilasi medan listrik cahaya. Sebanyak 18 modul yang digunakan untuk cahaya pertama merupakan salah satu konfigurasi komisioning dalam instalasi yang direncanakan lebih besar ini.

Kinerja juga berbeda di tiap jalur. Desainnya menetapkan durasi pulsa sekitar 30 femtodetik dan laju pengulangan hingga 1 MHz untuk FEL-I dan FEL-II, yang berarti satu juta pulsa per detik. Sebuah studi teknis tahun 2023 mencatat FEL-III memiliki laju hingga 0,1 MHz, atau 100.000 pulsa per detik.

Apa yang dapat diamati ilmuwan dengan pulsa sesingkat itu

Ilmu hayati, material kuantum, dan riset energi masa depan termasuk dalam bidang yang dituju SHINE. Kombinasi skala spasial yang kecil dan paparan yang sangat singkat menjadi kunci bagi ambisi tersebut: peneliti ingin mengetahui bagaimana materi tersusun sekaligus bagaimana susunan itu berubah.

Pulsa sinar-X yang singkat dapat merekam satu tahap dalam proses yang berlangsung cepat. Mengulangi eksperimen dengan jeda waktu berbeda antara memulai proses dan menyelidikinya dapat membantu peneliti menyusun rangkaian perubahan, seperti sejumlah bingkai terpisah yang membentuk film. Pulsa yang sering memberi lebih banyak kesempatan untuk mengumpulkan pengukuran, yang sangat berguna ketika sinyal individual lemah.

Stasiun eksperimen awal direncanakan menggunakan pencitraan difraksi koheren, spektroskopi sinar-X ultracepat, pengukuran fotoelektron, dan kristalografi serial femtodetik. Pencitraan difraksi merekonstruksi struktur berdasarkan pola yang terbentuk saat sinar-X dihamburkan oleh sampel. Spektroskopi mengamati cara materi menyerap atau memancarkan radiasi, sehingga mengungkap informasi tentang struktur elektronnya.

Kristalografi serial femtodetik mengumpulkan pola difraksi dari banyak kristal kecil yang terpapar pulsa sangat singkat. Teknik fotoelektron mengukur elektron yang dilepaskan oleh cahaya, sehingga membantu peneliti menyelidiki perilaku elektron di dalam material. Bersama-sama, metode yang direncanakan ini memberi SHINE beberapa cara untuk menghubungkan struktur mikroskopis dengan perubahan fisik atau kimia yang cepat.

Kontrol yang lebih besar atas cahaya itu sendiri

Jalur sinar-X lunak SHINE dirancang untuk menawarkan beberapa mode operasi, bukan hanya satu jenis pulsa. Studi jalur berkas tahun 2023 yang diterbitkan di Frontiers in Physics menjelaskan emisi spontan teramplifikasi mandiri, self-seeding, external seeding, dan kontrol polarisasi sebagai opsi dasar.

Dalam emisi spontan teramplifikasi mandiri, yang umum disingkat SASE, laser berkembang dari radiasi awal yang dihasilkan elektron itu sendiri. Seeding menggunakan sinyal awal yang lebih terkontrol. Self-seeding menyaring sebagian radiasi sinar-X dan memakainya untuk mendorong amplifikasi lebih lanjut; external seeding dimulai dengan laser terpisah. Metode-metode ini bertujuan menghasilkan cahaya dengan spektrum dan struktur waktu yang dapat dikendalikan secara lebih presisi.

Studi tersebut menjabarkan radiator sinar-X lunak dengan 32 modul, masing-masing sepanjang 4 meter, yang menggunakan periode magnetik utama 55 milimeter. Empat belas modul di bagian hulu dirancang dengan periode 55 dan 75 milimeter yang dapat dipilih. Fleksibilitas ini mendukung kondisi operasi dan teknik berbeda untuk mengubah radiasi laser benih menjadi panjang gelombang yang lebih pendek.

Beberapa teknologi terkait telah diuji di fasilitas Shanghai soft X-ray Free-Electron Laser yang terpisah, dikenal sebagai SXFEL. Studi itu mencatat terjadinya lasing pada harmonik ke-47 dan ke-54 dengan menggunakan pembangkitan harmonik yang didukung gema, metode yang mengatur elektron agar memancarkan radiasi pada kelipatan frekuensi laser benih. Studi itu juga mencatat sinyal pada harmonik ke-61.

Monokromator, instrumen optik yang memilih rentang energi foton yang sempit, diuji di SXFEL pada akhir 2022. Alat itu mencapai daya pisah di atas 5.300 pada 520 elektronvolt. Pengembangan semacam ini mendukung upaya menghasilkan pulsa sinar-X yang dipilih secara lebih presisi di SHINE. Studi tersebut juga membahas kemungkinan di masa depan, termasuk pulsa berdurasi attodetik, yang masing-masing seribu kali lebih singkat daripada satu femtodetik.

Laser 100 petawatt untuk kondisi ekstrem

SHINE juga merencanakan Stasiun Cahaya Ekstrem yang akan menggabungkan laser elektron bebasnya dengan laser ultrasingkat berdaya 100 petawatt. Proyek ini menyebutnya sebagai stasiun eksperimen pertama di dunia yang menggabungkan laser dengan daya sebesar itu dan laser elektron bebas.

Satu petawatt setara dengan satu kuadriliun watt. Angka 100 petawatt merujuk pada daya puncak selama pulsa yang sangat singkat. Pemusatan energi dalam selang waktu sesingkat itu menghasilkan medan elektromagnetik kuat untuk eksperimen terhadap materi dalam kondisi ekstrem.

Makalah kemajuan 2024 mengidentifikasi elektrodinamika kuantum medan kuat sebagai salah satu sasaran riset stasiun tersebut. Elektrodinamika kuantum menjelaskan interaksi antara cahaya dan partikel bermuatan listrik. Medan yang sangat kuat memungkinkan peneliti menyelidiki interaksi tersebut dalam kondisi yang jauh melampaui kondisi eksperimen laboratorium biasa.

Instalasi gabungan ini juga ditujukan untuk mendukung fisika kerapatan energi tinggi, yang mempelajari materi dengan energi dalam jumlah besar yang terkonsentrasi pada volume kecil. Menghadirkan laser optik intens dan probe sinar-X dalam eksperimen yang sama akan memungkinkan peneliti menciptakan kondisi ekstrem dan mengamati apa yang terjadi di dalamnya.

Mengoordinasikan mesin yang panjangnya lebih dari 3 kilometer

SHINE membentang sekitar 3,1 kilometer dan dibangun sekitar 29 meter di bawah tanah. Skala ini membuat pengaturan waktu, kendali peralatan, dan perlindungan cepat menjadi bagian penting dari instrumen ilmiah, selain akselerator dan magnet.

Sebuah makalah tentang sistem kendali di Nuclear Engineering and Technology menjabarkan sistem yang dirancang untuk mengendalikan hingga 10.000 perangkat. Perangkat tersebut mencakup catu daya, laser, peralatan vakum, dan komponen lain yang tersebar di kompleks akselerator.

Sistem ini menggunakan kerangka Experimental Physics and Industrial Control System, yang dikenal sebagai EPICS, untuk menghubungkan kendali peralatan dengan antarmuka operator, pengumpulan data, dan pemantauan. Jaringan pengaturan waktu berbasis teknologi White Rabbit mendistribusikan sinyal jam ke seluruh fasilitas. Sistem pengaturan waktu injektor telah dipasang dan berhasil digunakan untuk mendistribusikan sinyal pada 1,003086 MHz.

Perlindungan mesin juga merupakan tugas yang menantang. Desainnya memantau sekitar 5.000 sinyal gangguan dan menggunakan perangkat elektronik yang dapat diprogram untuk mengurangi atau menghentikan berkas saat kondisi peralatan mengharuskannya. Makalah tersebut menyebutkan waktu respons di bawah satu mikrodetik di dalam satu stasiun dan di bawah 30 mikrodetik antarestasiun. Perlindungan cepat membantu membatasi kerusakan jika berkas berdaya tinggi bergerak di luar kondisi yang ditentukan.

Saat makalah itu diajukan, hanya injektor yang berfungsi secara operasional dan sistem kendali akselerator secara keseluruhan masih dalam pengembangan. Pengumuman cahaya pertama setelahnya menandai tahap komisioning yang lebih lanjut. Integrasi akselerator, transportasi radiasi, sistem perlindungan, dan stasiun eksperimen tetap menjadi bagian penting dari rencana transisi menuju penggunaan ilmiah rutin.

Siapa yang membangun SHINE dan apa langkah selanjutnya

ShanghaiTech University merupakan badan hukum yang bertanggung jawab atas pembangunan. Tugasnya meliputi perencanaan proyek, pengawasan rekayasa, pengelolaan mutu dan keselamatan, serta operasi dan akses terbuka di masa mendatang. Universitas itu juga bertanggung jawab atas pekerjaan sipil, lima stasiun eksperimen, dan sebagian pembangunan jalur berkas.

Shanghai Advanced Research Institute di bawah Chinese Academy of Sciences bertanggung jawab atas akselerator, undulator, utilitas, dan beberapa jalur berkas. Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics membangun stasiun jalur berkas fotofisika ekstrem. Pembagian tugas ini melibatkan sejumlah lembaga dalam pembangunan akselerator, peralatan eksperimen, dan operasi untuk pengguna di masa mendatang.

Tahapan proyek yang dipublikasikan menunjukkan perkembangan dari pembangunan bawah tanah hingga komisioning berkas:

• April 2018: Pembangunan sipil dimulai di Shanghai.
• Akhir 2022: Uji monokromator di SXFEL mencapai daya pisah di atas 5.300 pada 520 elektronvolt.
• April 2023: Pemasangan injektor SHINE dimulai.
• Akhir 2023: Seluruh sumur dan terowongan telah rampung, menurut makalah kemajuan 2024.
• Pengumuman 21 Oktober: ShanghaiTech mengungkapkan pencapaian cahaya pertama menggunakan berkas elektron 4 GeV dan 18 modul undulator.
• Akhir 2027: SHINE menargetkan proyek rampung dan mulai beroperasi.

Jadwal teknis sebelumnya berubah seiring kemajuan pembangunan. Studi jalur berkas tahun 2023 memperkirakan komisioning FEL-II akan berlangsung pada musim semi 2025. Makalah kemajuan 2024 menyebutkan lasing pertama pada akhir 2025 mungkin tercapai, tetapi akan menantang, sementara eksperimen pengguna diperkirakan berlangsung pada 2027. Pengumuman terbaru menetapkan akhir 2027 sebagai target penyelesaian dan operasi.

SHINE disebut sebagai salah satu dari dua fasilitas jenis ini yang menggabungkan pulsa berfrekuensi tinggi dengan kemampuan laser elektron bebas sinar-X keras. Fasilitas lainnya adalah peningkatan energi Linac Coherent Light Source II yang sedang dibangun di Amerika Serikat. Bagi peneliti, manfaat nyata proyek Shanghai ini akan bergantung pada akses terhadap rentang energi, mode pulsa, dan stasiun eksperimen yang direncanakan setelah komisioning selesai.

Poin Utama

• SHINE mencapai cahaya pertama di Shanghai dengan menggunakan berkas elektron 4 GeV dan 18 modul undulator.
• Akselerator yang telah rampung dirancang mencapai 8 GeV, dua kali energi elektron yang digunakan dalam pencapaian ini.
• Dua jalur pertama diperkirakan mencakup 0,2 hingga 15 keV; rentang dasar tiga jalur yang lebih luas mencapai 25 keV.
• Beberapa mode operasi ditargetkan menghasilkan satu juta pulsa sinar-X per detik, dengan durasi pulsa puluhan femtodetik.
• Tahap pertama merencanakan 10 stasiun eksperimen, termasuk stasiun yang menggabungkan sinar-X dengan laser 100 petawatt.
• ShanghaiTech University memimpin proyek ini, dengan target penyelesaian dan mulai beroperasi pada akhir 2027.