Laser tia X SHINE của Trung Quốc phát ra ánh sáng đầu tiên, Thượng Hải đặt mục tiêu đưa vào hoạt động năm 2027

Chùm tia 4 GeV đưa dự án lớn của Thượng Hải tiến gần hơn đến vận hành

Cơ sở nghiên cứu SHINE của Trung Quốc tại Thượng Hải đã tạo ra ánh sáng laser điện tử tự do đầu tiên bằng chùm electron ở mức 4 gigaelectronvolt (GeV), bằng một nửa năng lượng dự kiến của máy gia tốc hoàn chỉnh. Đại học Khoa học và Công nghệ Thượng Hải công bố đột phá này vào ngày 21 tháng 10, đánh dấu bước tiến lớn hướng tới mục tiêu hoàn thành và đưa dự án vào hoạt động vào cuối năm 2027.

Ánh sáng đầu tiên được tạo ra bằng 18 mô-đun undulator, mỗi mô-đun dài 4 mét và chứa một kiểu bố trí từ tính lặp lại sau mỗi 55 milimét. Tổng cộng, các mô-đun tạo thành 72 mét cấu trúc từ tính, điều hướng các electron tốc độ cao theo đường uốn lượn, khiến chúng phát ra ánh sáng tích tụ thành xung laser cường độ cao.

SHINE, viết tắt của Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility (Cơ sở laser điện tử tự do tia X tần suất lặp cao và ánh sáng cực mạnh Thượng Hải), được thiết kế để giúp các nhà khoa học khảo sát cấu trúc ở cấp nanomet và những biến đổi kéo dài trong femto giây. Một nanomet bằng một phần tỷ mét; một femto giây bằng một phần triệu tỷ giây. Những thang đo này cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc cực nhỏ và chuyển động nhanh của nguyên tử, phân tử.

Việc xây dựng bắt đầu vào tháng 4 năm 2018. Khi hoàn thành, máy gia tốc tuyến tính siêu dẫn dự kiến đạt 8 GeV, với một số chế độ vận hành cho phép phát tới một triệu xung tia X mỗi giây. Hai tuyến undulator đầu tiên dự kiến bao phủ mức năng lượng photon từ 0,2 đến 15 kiloelectronvolt (keV).

Thành tựu trước mắt là tạo ra ánh sáng laser trong quá trình chạy thử, tức quá trình đưa thiết bị vào trạng thái hoạt động và kiểm tra hiệu suất. Các thí nghiệm thường lệ dành cho nhà nghiên cứu đến sử dụng vẫn nằm trong kế hoạch chuyển sang vận hành vào năm 2027. Đại học Khoa học và Công nghệ Thượng Hải chưa công bố ngày mở cửa chính xác hoặc lịch tiếp nhận đăng ký của các nhà nghiên cứu.

Electron chuyển động tạo ra laser tia X như thế nào

SHINE sử dụng electron làm điểm khởi đầu, thay vì vật liệu phát sáng có trong nhiều loại laser quen thuộc. Máy gia tốc tuyến tính truyền năng lượng cho các electron, sau đó đưa chúng qua các undulator, nơi từ trường đổi chiều khiến chúng chuyển động qua lại và phát xạ.

Electron và bức xạ tương tác khi đi qua các mô-đun liên tiếp. Trong điều kiện phù hợp, electron tập hợp thành những nhóm rất nhỏ và cùng phát xạ, khuếch đại ánh sáng thành một xung mạnh. Năng lượng electron và khoảng cách giữa các cấu trúc từ tính góp phần quyết định năng lượng của photon tạo ra; photon là những gói riêng lẻ cấu thành ánh sáng.

Mức 4 GeV là năng lượng của chùm electron dùng để tạo ánh sáng đầu tiên. Dải 0,2 đến 15 keV là mức năng lượng photon dự kiến từ hai tuyến đầu tiên. Đây là các phép đo ở những bộ phận khác nhau của máy: GeV ở đây chỉ các hạt thúc đẩy quá trình, còn keV chỉ tia X được cung cấp cho các thí nghiệm.

SHINE sử dụng máy gia tốc siêu dẫn sóng liên tục. Các bộ phận siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ rất thấp và dẫn dòng điện với điện trở cực nhỏ. Chế độ sóng liên tục cho phép các trường tần số vô tuyến của máy gia tốc hoạt động liên tục, hỗ trợ các chùm electron xuất hiện thường xuyên thay vì phụ thuộc vào những đợt phát cách nhau xa.

Ba tuyến chùm tia với các dải năng lượng khác nhau

Giai đoạn đầu rộng hơn nhiều so với hệ thống được sử dụng trong cột mốc tạo ánh sáng đầu tiên. Báo cáo tiến độ năm 2024 của dự án, được trình bày tại Hội nghị Quốc tế về Máy gia tốc hạt, mô tả ba tuyến undulator, ba tuyến truyền tải tia X và 10 trạm thí nghiệm, với dải năng lượng photon cơ sở từ 0,4 đến 25 keV.

FEL-I được thiết kế cho mức 3 đến 15 keV, FEL-II cho 0,4 đến 3 keV và FEL-III cho 10 đến 25 keV. FEL-II tạo ra tia X có năng lượng thấp nhất, hay tia X mềm nhất. Hai tuyến còn lại tạo ra tia X cứng hơn, có năng lượng photon cao hơn và bước sóng ngắn hơn.

Dải 0,2 đến 15 keV trong thông báo mới nhất liên quan đến hai tuyến đầu tiên. Dải cơ sở rộng hơn, từ 0,4 đến 25 keV, bao gồm FEL-III. Báo cáo năm 2024 cũng mô tả một tuyến rẽ bổ sung có thể đưa chùm electron 5 GeV đến FEL-II, mở rộng đầu ra xuống mức 0,2 keV.

Báo cáo cũng nêu rõ FEL-I có 42 undulator phẳng, FEL-II có 32, cùng bốn undulator ở phía sau có thể điều chỉnh phân cực, tức hướng dao động của điện trường ánh sáng. 18 mô-đun được dùng để tạo ánh sáng đầu tiên là một cấu hình chạy thử trong hệ thống lớn hơn dự kiến lắp đặt này.

Hiệu suất cũng khác nhau giữa các tuyến. Thiết kế quy định FEL-I và FEL-II có xung kéo dài khoảng 30 femto giây, với tần suất lặp lên tới 1 MHz, tức một triệu xung mỗi giây. Một nghiên cứu kỹ thuật năm 2023 cho biết FEL-III có tần suất lặp tối đa 0,1 MHz, hay 100.000 xung mỗi giây.

Các xung cực ngắn có thể giúp nhà khoa học quan sát điều gì

Khoa học sự sống, vật liệu lượng tử và nghiên cứu năng lượng tương lai là những lĩnh vực SHINE được dự kiến phục vụ. Sự kết hợp giữa thang không gian nhỏ và thời gian chiếu rất ngắn là yếu tố cốt lõi của những mục tiêu đó: các nhà nghiên cứu muốn tìm hiểu cả cách vật chất được sắp xếp lẫn sự thay đổi của cấu trúc ấy.

Một xung tia X ngắn có thể ghi lại một giai đoạn của quá trình diễn ra nhanh. Lặp lại thí nghiệm với khoảng trễ khác nhau giữa lúc bắt đầu quá trình và lúc dò đo có thể giúp các nhà nghiên cứu ghép thành chuỗi biến đổi, giống như các khung hình riêng lẻ tạo nên một bộ phim. Xung phát thường xuyên tạo thêm cơ hội thu thập phép đo, đặc biệt hữu ích khi tín hiệu riêng lẻ yếu.

Các trạm thí nghiệm ban đầu dự kiến sử dụng kỹ thuật tạo ảnh nhiễu xạ kết hợp, phổ học tia X siêu nhanh, phép đo quang electron và tinh thể học nối tiếp bằng femto giây. Tạo ảnh nhiễu xạ tái dựng cấu trúc từ hình ảnh tạo ra khi tia X tán xạ trên mẫu. Phổ học khảo sát cách vật chất hấp thụ hoặc phát ra bức xạ, qua đó hé lộ thông tin về cấu trúc electron của vật chất.

Tinh thể học nối tiếp bằng femto giây thu thập ảnh nhiễu xạ từ nhiều tinh thể nhỏ được chiếu bằng các xung cực ngắn. Kỹ thuật quang electron đo các electron được ánh sáng giải phóng, giúp các nhà nghiên cứu tìm hiểu hành vi của electron bên trong vật liệu. Kết hợp lại, các phương pháp dự kiến này giúp SHINE có nhiều cách liên hệ cấu trúc vi mô với những biến đổi vật lý hoặc hóa học diễn ra nhanh.

Kiểm soát ánh sáng linh hoạt hơn

Tuyến tia X mềm của SHINE được thiết kế để hỗ trợ nhiều chế độ vận hành thay vì chỉ một kiểu xung. Nghiên cứu tuyến chùm tia năm 2023 đăng trên Frontiers in Physics mô tả phát xạ tự khuếch đại, tự gieo mầm, gieo mầm ngoài và điều khiển phân cực là các tùy chọn cơ sở.

Trong cơ chế phát xạ tự khuếch đại, thường viết tắt là SASE, laser phát triển từ bức xạ ban đầu do chính các electron tạo ra. Cơ chế gieo mầm sử dụng một tín hiệu khởi đầu được kiểm soát tốt hơn. Tự gieo mầm lọc một phần bức xạ tia X rồi dùng phần đó để thúc đẩy khuếch đại tiếp; gieo mầm ngoài bắt đầu bằng một laser riêng. Các phương pháp này nhằm tạo ra ánh sáng có phổ và cấu trúc thời gian được kiểm soát chính xác hơn.

Nghiên cứu mô tả một bộ phát tia X mềm gồm 32 mô-đun, mỗi mô-đun dài 4 mét, sử dụng chu kỳ từ tính chính 55 milimét. Mười bốn mô-đun phía trước được thiết kế với chu kỳ có thể chuyển đổi giữa 55 và 75 milimét. Khả năng linh hoạt này hỗ trợ các điều kiện vận hành và kỹ thuật khác nhau để chuyển bức xạ của laser gieo mầm sang bước sóng ngắn hơn.

Một số công nghệ liên quan đã được thử nghiệm tại cơ sở laser điện tử tự do tia X mềm riêng biệt của Thượng Hải, gọi là SXFEL. Nghiên cứu ghi nhận hiện tượng phát laser ở hài bậc 47 và 54 bằng phương pháp tạo hài được hỗ trợ bởi tiếng vang, một kỹ thuật tổ chức electron để chúng phát xạ ở các bội số của tần số laser gieo mầm. Nghiên cứu cũng ghi nhận tín hiệu ở hài bậc 61.

Máy đơn sắc, một thiết bị quang học chọn một dải năng lượng photon hẹp, đã được thử nghiệm tại SXFEL vào cuối năm 2022. Thiết bị đạt độ phân giải trên 5.300 ở mức 520 electronvolt. Các công việc phát triển như vậy hỗ trợ mục tiêu cung cấp những xung tia X được lựa chọn chính xác hơn tại SHINE. Nghiên cứu cũng bàn về các khả năng trong tương lai, bao gồm xung kéo dài ở cấp atto giây, mỗi atto giây ngắn hơn femto giây một nghìn lần.

Laser 100 petawatt phục vụ nghiên cứu điều kiện cực hạn

SHINE cũng có kế hoạch xây dựng Trạm Ánh sáng Cực mạnh, kết hợp laser điện tử tự do với laser siêu ngắn có công suất định mức 100 petawatt. Dự án mô tả đây là trạm thí nghiệm đầu tiên trên thế giới kết hợp laser ở mức công suất đó với laser điện tử tự do.

Một petawatt bằng một triệu tỷ watt. Mức 100 petawatt là công suất đỉnh trong một xung cực ngắn. Tập trung năng lượng vào khoảng thời gian ngắn như vậy tạo ra các trường điện từ mạnh để thí nghiệm vật chất trong điều kiện cực hạn.

Báo cáo tiến độ năm 2024 xác định điện động lực học lượng tử trường mạnh là một mục tiêu nghiên cứu của trạm. Điện động lực học lượng tử mô tả cách ánh sáng tương tác với các hạt mang điện. Những trường cực mạnh cho phép các nhà nghiên cứu khảo sát tương tác đó trong điều kiện vượt xa các thí nghiệm thông thường trong phòng thí nghiệm.

Hệ thống kết hợp này cũng nhằm phục vụ vật lý mật độ năng lượng cao, lĩnh vực nghiên cứu vật chất có lượng năng lượng lớn tập trung trong một thể tích nhỏ. Việc đưa laser quang học cường độ cao và đầu dò tia X vào cùng một thí nghiệm sẽ cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra điều kiện cực hạn rồi khảo sát những gì diễn ra bên trong.

Điều phối cỗ máy dài hơn 3 km

SHINE kéo dài khoảng 3,1 km và được xây dựng ở độ sâu khoảng 29 mét dưới lòng đất. Quy mô này khiến việc đồng bộ thời gian, điều khiển thiết bị và bảo vệ nhanh trở thành những phần thiết yếu của thiết bị khoa học, bên cạnh máy gia tốc và nam châm.

Một bài báo về hệ thống điều khiển đăng trên Nuclear Engineering and Technology mô tả hệ thống dự kiến điều khiển tới 10.000 thiết bị. Trong số đó có bộ nguồn, laser, thiết bị chân không và các linh kiện khác trải khắp tổ hợp máy gia tốc.

Hệ thống sử dụng nền tảng Hệ thống Điều khiển Vật lý Thực nghiệm và Công nghiệp, gọi tắt là EPICS, để kết nối điều khiển thiết bị với giao diện vận hành, thu thập dữ liệu và giám sát. Mạng đồng bộ thời gian dựa trên công nghệ White Rabbit phân phối tín hiệu đồng hồ khắp cơ sở. Hệ thống đồng bộ thời gian của bộ phun đã được lắp đặt và sử dụng thành công, phân phối tín hiệu ở tần số 1,003086 MHz.

Bảo vệ máy là một nhiệm vụ đòi hỏi cao khác. Thiết kế giám sát khoảng 5.000 tín hiệu lỗi và sử dụng thiết bị điện tử lập trình được để giảm hoặc dừng chùm tia khi tình trạng thiết bị đòi hỏi. Bài báo nêu thời gian phản hồi dưới một micro giây trong một trạm và dưới 30 micro giây giữa các trạm. Cơ chế bảo vệ nhanh giúp hạn chế hư hại nếu chùm tia công suất lớn đi chệch khỏi các điều kiện dự kiến.

Vào thời điểm bài báo được gửi đăng, chỉ bộ phun hoạt động về mặt vận hành, còn hệ thống điều khiển toàn bộ máy gia tốc vẫn đang được phát triển. Thông báo tạo ánh sáng đầu tiên sau đó đánh dấu một giai đoạn chạy thử mới. Việc tích hợp máy gia tốc, hệ thống truyền tải bức xạ, các hệ thống bảo vệ và trạm thí nghiệm vẫn là trọng tâm trong kế hoạch chuyển sang sử dụng khoa học thường lệ.

Đơn vị xây dựng SHINE và các bước tiếp theo

Đại học Khoa học và Công nghệ Thượng Hải là đơn vị pháp lý chịu trách nhiệm xây dựng dự án. Nhiệm vụ của trường bao gồm lập kế hoạch, giám sát kỹ thuật, quản lý chất lượng và an toàn, cũng như vận hành trong tương lai và bảo đảm quyền tiếp cận mở. Trường cũng phụ trách xây dựng dân dụng, năm trạm thí nghiệm và một phần công trình tuyến chùm tia.

Viện Nghiên cứu Tiên tiến Thượng Hải thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phụ trách máy gia tốc, undulator, các hệ thống tiện ích và một số tuyến chùm tia. Viện Quang học và Cơ học Chính xác Thượng Hải đang xây dựng trạm tuyến chùm tia vật lý quang học cực hạn. Sự phân công này chia sẻ trách nhiệm về máy gia tốc, thiết bị thí nghiệm và hoạt động phục vụ người dùng trong tương lai giữa nhiều viện.

Các mốc tiến độ được công bố của dự án cho thấy quá trình chuyển từ xây dựng ngầm sang chạy thử chùm tia:

• Tháng 4 năm 2018: Bắt đầu xây dựng dân dụng tại Thượng Hải.
• Cuối năm 2022: Thử nghiệm máy đơn sắc tại SXFEL đạt độ phân giải trên 5.300 ở mức 520 electronvolt.
• Tháng 4 năm 2023: Bắt đầu lắp đặt bộ phun của SHINE.
• Cuối năm 2023: Tất cả giếng đứng và đường hầm đã hoàn thành, theo báo cáo tiến độ năm 2024.
• Thông báo ngày 21 tháng 10: Đại học Khoa học và Công nghệ Thượng Hải công bố tạo ánh sáng đầu tiên bằng chùm electron 4 GeV và 18 mô-đun undulator.
• Cuối năm 2027: SHINE đặt mục tiêu hoàn thành và đi vào hoạt động.

Các mốc kỹ thuật trước đây đã thay đổi theo tiến độ xây dựng. Nghiên cứu tuyến chùm tia năm 2023 dự kiến FEL-II bắt đầu chạy thử vào mùa xuân năm 2025. Báo cáo tiến độ năm 2024 cho rằng có thể đạt phát laser lần đầu vào cuối năm 2025 nhưng đây sẽ là thách thức, đồng thời dự kiến thí nghiệm cho người dùng bắt đầu vào năm 2027. Thông báo mới nhất đặt mục tiêu hoàn thành và đưa cơ sở vào hoạt động vào cuối năm 2027.

SHINE được mô tả là một trong hai cơ sở cùng loại kết hợp các xung phát thường xuyên với khả năng laser điện tử tự do tia X cứng. Cơ sở còn lại là dự án nâng cấp năng lượng cao Linac Coherent Light Source II đang được xây dựng tại Mỹ. Với các nhà nghiên cứu, giá trị thiết thực của dự án Thượng Hải sẽ đến từ khả năng tiếp cận những dải năng lượng, chế độ xung và trạm thí nghiệm đã lên kế hoạch sau khi hoàn tất chạy thử.

Điểm chính

• SHINE đã tạo ra ánh sáng đầu tiên tại Thượng Hải bằng chùm electron 4 GeV và 18 mô-đun undulator.
• Máy gia tốc hoàn chỉnh được thiết kế đạt 8 GeV, gấp đôi năng lượng electron dùng cho cột mốc này.
• Hai tuyến đầu tiên dự kiến bao phủ dải 0,2 đến 15 keV; dải cơ sở của cả ba tuyến mở rộng đến 25 keV.
• Một số chế độ vận hành hướng tới phát một triệu xung tia X mỗi giây, với thời lượng xung hàng chục femto giây.
• Giai đoạn đầu dự kiến có 10 trạm thí nghiệm, trong đó có một trạm kết hợp tia X với laser 100 petawatt.
• Đại học Khoa học và Công nghệ Thượng Hải dẫn dắt dự án, với mục tiêu hoàn thành và đưa vào hoạt động vào cuối năm 2027.