Laser de raios X SHINE, da China, produz sua primeira luz enquanto Xangai prevê inauguração em 2027

Feixe de 4 GeV aproxima grande projeto de Xangai do início das operações

A instalação de pesquisa SHINE, da China, em Xangai, produziu sua primeira luz de laser de elétrons livres usando um feixe de elétrons de 4 gigaeletronvolts (GeV), metade da energia prevista para o acelerador concluído. A Universidade de Ciência e Tecnologia de Xangai anunciou o avanço em 21 de outubro, marcando uma etapa importante rumo à meta do projeto de conclusão e início das operações até o fim de 2027.

A primeira luz foi gerada com 18 módulos de ondulador, cada um com 4 metros de comprimento e um padrão magnético que se repete a cada 55 milímetros. Juntos, esses módulos oferecem 72 metros de estruturas magnéticas que conduzem elétrons rápidos por uma trajetória sinuosa, fazendo com que emitam luz que se amplifica até formar um pulso intenso de laser.

SHINE, sigla em inglês para Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility, foi projetada para ajudar cientistas a examinar estruturas em escala nanométrica e mudanças que duram femtossegundos. Um nanômetro equivale a um bilionésimo de metro; um femtossegundo, a um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Essas escalas permitem que pesquisadores investiguem as estruturas minúsculas e os movimentos rápidos de átomos e moléculas.

A construção começou em abril de 2018. Quando estiver concluído, o acelerador linear supercondutor deverá alcançar 8 GeV, com alguns modos de operação fornecendo até um milhão de pulsos de raios X por segundo. A previsão é que as duas primeiras linhas de onduladores cubram energias de fótons de 0,2 a 15 quiloeletronvolts (keV).

A conquista imediata é a produção de luz laser durante o comissionamento, processo de colocar os equipamentos em funcionamento e verificar seu desempenho. Os experimentos regulares para pesquisadores visitantes fazem parte da transição planejada para o início das operações em 2027. A Universidade de Ciência e Tecnologia de Xangai não anunciou uma data exata de abertura nem um cronograma de inscrições para pesquisadores.

Como elétrons em movimento produzem um laser de raios X

A SHINE começa com elétrons, e não com o material que produz luz encontrado em muitos lasers conhecidos. Seu acelerador linear fornece energia a esses elétrons e, em seguida, os envia por onduladores, onde campos magnéticos alternados fazem com que se movam de um lado para o outro e emitam radiação.

Os elétrons e a radiação interagem à medida que atravessam módulos sucessivos. Em condições adequadas, os elétrons se organizam em pequenos grupos que emitem luz em conjunto, intensificando-a até formar um pulso potente. A energia dos elétrons e o espaçamento das estruturas magnéticas ajudam a determinar a energia dos fótons resultantes, as partículas individuais que compõem a luz.

O valor de 4 GeV descreve o feixe de elétrons usado para produzir a primeira luz. A faixa de 0,2 a 15 keV descreve os fótons esperados das duas primeiras linhas. São medidas de partes diferentes da máquina: GeV se refere aqui às partículas que impulsionam o processo, enquanto keV se refere aos raios X fornecidos para os experimentos.

A SHINE usa um acelerador supercondutor de onda contínua. Componentes supercondutores operam a temperaturas muito baixas e conduzem correntes elétricas com resistência muito pequena. A operação em onda contínua permite que os campos de radiofrequência do acelerador funcionem sem interrupção, sustentando frequentes agrupamentos de elétrons em vez de depender de disparos muito espaçados.

Três linhas de feixe com diferentes faixas de energia

A primeira fase mais ampla é maior do que o equipamento usado na etapa 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, cobrindo uma faixa básica de energia de fótons de 0,4 a 25 keV.

A FEL-I foi projetada para 3 a 15 keV, a FEL-II para 0,4 a 3 keV e a FEL-III para 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 fótons e comprimentos de onda menores.

A faixa de 0,2 a 15 keV do anúncio mais recente diz respeito às duas primeiras linhas. A faixa básica mais ampla, de 0,4 a 25 keV, inclui a FEL-III. O artigo de 2024 também descreve um desvio adicional que levaria um feixe de elétrons de 5 GeV à FEL-II, ampliando sua emissão até 0,2 keV.

O mesmo artigo especifica 42 onduladores planares para a FEL-I e 32 para a FEL-II, além de quatro onduladores posteriores que podem ajustar a polarização, a direção em que oscila o campo elétrico da luz. Os 18 módulos usados para produzir a primeira luz representam uma configuração de comissionamento dentro dessa instalação maior prevista.

O desempenho também varia conforme a linha. O projeto prevê durações de pulso de cerca de 30 femtossegundos e taxas de repetição de até 1 MHz para a FEL-I e a FEL-II, ou seja, um milhão de pulsos por segundo. Um estudo técnico de 2023 indica que a FEL-III pode chegar a 0,1 MHz, ou 100 mil pulsos por segundo.

O que os cientistas poderiam observar com pulsos tão curtos

Ciências da vida, materiais quânticos e pesquisas sobre energia do futuro estão entre as aplicações previstas para a SHINE. A combinação de escalas espaciais minúsculas e exposições muito breves é fundamental para essas ambições: pesquisadores querem descobrir tanto como a matéria está organizada quanto como essa organização muda.

Um pulso curto de raios X pode registrar uma etapa de um processo rápido. Repetir um experimento com diferentes intervalos entre o início do processo e a sondagem pode ajudar pesquisadores a montar uma sequência de mudanças, como quadros separados que formam um filme. Pulsos frequentes oferecem mais oportunidades para coletar medições, o que pode ser especialmente útil quando os sinais individuais são fracos.

As estações experimentais iniciais devem usar imageamento por difração coerente, espectroscopia ultrarrápida de raios X, medições de fotoelétrons e cristalografia serial de femtossegundos. O imageamento por difração reconstrói estruturas a partir do padrão formado quando os raios X se espalham ao atingir uma amostra. A espectroscopia examina como a matéria absorve ou emite radiação, revelando informações sobre sua estrutura eletrônica.

A cristalografia serial de femtossegundos coleta padrões de difração de muitos cristais minúsculos expostos a pulsos muito curtos. As técnicas de fotoelétrons medem os elétrons liberados pela luz, ajudando pesquisadores a investigar como os elétrons se comportam nos materiais. Em conjunto, os métodos previstos dão à SHINE várias maneiras de relacionar estruturas microscópicas a mudanças físicas ou químicas rápidas.

Mais controle sobre a própria luz

A linha de raios X suaves da SHINE está sendo projetada para oferecer vários modos de operação, em vez de um único tipo de pulso. Um estudo de linha de feixe de 2023, publicado na Frontiers in Physics, descreve a emissão espontânea autoamplificada, a auto-semeadura, a semeadura externa e o controle da polarização como opções básicas.

Na emissão espontânea autoamplificada, geralmente abreviada como SASE, o laser se amplifica a partir da radiação inicial dos próprios elétrons. A semeadura, por sua vez, usa um sinal inicial mais controlado. Na auto-semeadura, parte da radiação de raios X é filtrada e usada para impulsionar uma amplificação adicional; a semeadura externa começa com um laser separado. Esses métodos buscam produzir luz com espectro e 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 usa um período magnético principal de 55 milímetros. Quatorze módulos a montante foram projetados com períodos alternáveis de 55 e 75 milímetros. Essa flexibilidade permite diferentes condições de operação e técnicas para converter a radiação de um laser-semente em comprimentos de onda menores.

Algumas tecnologias relacionadas já haviam sido testadas na instalação separada de laser de elétrons livres de raios X suaves de Xangai, conhecida como SXFEL. O estudo registra emissão de laser nos harmônicos de ordem 47 e 54 usando a geração de harmônicos assistida por eco, método que organiza os elétrons para que emitam em múltiplos da frequência de um laser-semente. Também registra um sinal no harmônico de ordem 61.

Um monocromador, instrumento óptico que seleciona uma faixa estreita de energias de fótons, foi testado na SXFEL no fim de 2022. Ele alcançou poder de resolução acima de 5.300 a 520 elétron-volts. Esse trabalho de desenvolvimento contribui para o esforço de fornecer na SHINE pulsos de raios X selecionados com maior precisão. O estudo também aborda possibilidades futuras, como pulsos com duração de attossegundos, cada um mil vezes mais curto que um femtossegundo.

Um laser de 100 petawatts para condições extremas

A SHINE também planeja uma Estação de Luz Extrema que combinaria seu laser de elétrons livres com um laser ultracurto de potência nominal de 100 petawatts. O projeto a descreve como a primeira estação experimental do mundo a combinar um laser dessa potência com um laser de elétrons livres.

Um petawatt equivale a um quatrilhão de watts. O valor de 100 petawatts se refere à potência de pico durante um pulso extremamente breve. Concentrar energia em um intervalo tão curto cria campos eletromagnéticos poderosos para experimentos com matéria em condições extremas.

O artigo de progresso de 2024 aponta a eletrodinâmica quântica de campos fortes como um dos objetivos de pesquisa da estação. A eletrodinâmica quântica descreve como a luz e as partículas eletricamente carregadas interagem. Campos extremamente fortes permitem que pesquisadores investiguem essa interação em condições muito além das encontradas em experimentos laboratoriais comuns.

A instalação combinada também pretende contribuir para a física de altas densidades de energia, que estuda a matéria com grande quantidade de energia concentrada em um pequeno volume. Reunir um laser óptico intenso e uma sonda de raios X no mesmo experimento permitiria criar condições extremas e examinar o que acontece nelas.

Coordenar uma máquina com mais de 3 quilômetros de extensão

A SHINE se estende por aproximadamente 3,1 quilômetros e foi construída cerca de 29 metros abaixo do solo. Sua escala torna o controle do tempo, dos equipamentos e a proteção rápida partes essenciais do instrumento científico, junto com o acelerador e os ímãs.

Um artigo sobre o sistema de controle publicado na Nuclear Engineering and Technology descreve um sistema planejado para controlar até 10 mil dispositivos. Entre eles estão fontes de alimentação, lasers, equipamentos de vácuo e outros componentes distribuídos pelo complexo do acelerador.

O sistema usa a estrutura Experimental Physics and Industrial Control System, conhecida como EPICS, para conectar os controles dos equipamentos às interfaces dos operadores, à coleta de dados e ao monitoramento. Uma rede de temporização baseada na tecnologia White Rabbit distribui sinais de relógio por toda a instalação. O sistema de temporização do injetor havia sido instalado e usado com sucesso, distribuindo sinais a 1,003086 MHz.

A proteção da máquina é outra tarefa exigente. O projeto monitora cerca de 5 mil sinais de falha e usa componentes eletrônicos programáveis para reduzir ou interromper o feixe quando as condições dos equipamentos exigem. O artigo informa tempos de resposta inferiores a um microssegundo dentro de uma estação e a 30 microssegundos entre estações. A proteção rápida ajuda a limitar danos caso um feixe potente saia das condições previstas.

Quando o artigo foi enviado para publicação, apenas o injetor estava em funcionamento operacional, e o sistema completo de controle do acelerador ainda estava em desenvolvimento. O anúncio posterior da primeira luz marca uma etapa mais avançada do comissionamento. Integrar o acelerador, o transporte da radiação, os sistemas de proteção e as estações experimentais continua sendo fundamental para a transição planejada ao uso científico regular.

Quem está construindo a SHINE e quais são os próximos passos

A Universidade de Ciência e Tecnologia de Xangai é a entidade legal responsável pela construção. Suas atribuições incluem planejamento do projeto, supervisão da engenharia, gestão da qualidade e da segurança, além da futura operação e do acesso aberto. A universidade também responde pela engenharia civil, por cinco estações experimentais e por parte da construção das linhas de feixe.

O Instituto de Pesquisa Avançada de Xangai, da Academia Chinesa de Ciências, é responsável pelo acelerador, pelos onduladores, pelos serviços de infraestrutura e por algumas linhas de feixe. O Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai está construindo a estação da linha de feixe de fotofísica extrema. Essa divisão distribui o acelerador, os equipamentos experimentais e a futura operação para usuários entre várias instituições.

Os marcos publicados do projeto mostram a evolução da construção subterrânea até o comissionamento do feixe:

• Abril de 2018: começaram as obras civis em Xangai.
• Fim de 2022: um teste de monocromador na SXFEL alcançou poder de resolução acima de 5.300 a 520 elétron-volts.
• Abril de 2023: começou a instalação do injetor da SHINE.
• Fim de 2023: todos os poços e túneis haviam sido concluídos, segundo o artigo de progresso de 2024.
• Anúncio de 21 de outubro: a Universidade de Ciência e Tecnologia de Xangai divulgou a produção da primeira luz com um feixe de elétrons de 4 GeV e 18 módulos de ondulador.
• Fim de 2027: a SHINE prevê concluir o projeto e iniciar as operações.

Os cronogramas técnicos anteriores evoluíram à medida que a construção avançava. O estudo de linhas de feixe de 2023 previa o comissionamento da FEL-II para a primavera de 2025. O artigo de progresso de 2024 considerava possível, mas difícil, produzir a primeira luz laser até o fim de 2025, e previa experimentos com usuários em 2027. O anúncio mais recente estabelece o fim de 2027 como meta para a conclusão e o início das operações.

A SHINE é descrita como uma de duas instalações desse tipo que combinam pulsos frequentes com a capacidade de produzir raios X duros por meio de laser de elétrons livres. A outra é a atualização de alta energia da Linac Coherent Light Source II, em construção nos Estados Unidos. Para os pesquisadores, o valor prático do projeto de Xangai dependerá do acesso às faixas de energia, aos modos de pulso e às estações experimentais previstos, após a conclusão do comissionamento.

Principais pontos

• A SHINE produziu sua primeira luz em Xangai usando um feixe de elétrons de 4 GeV e 18 módulos de ondulador.
• O acelerador concluído foi projetado para alcançar 8 GeV, o dobro da energia dos elétrons usada nesta etapa.
• As duas primeiras linhas devem cobrir de 0,2 a 15 keV; a faixa básica mais ampla, com três linhas, chega a 25 keV.
• Alguns modos de operação buscam fornecer um milhão de pulsos de raios X por segundo, com duração de dezenas de femtossegundos.
• A primeira fase prevê 10 estações experimentais, incluindo uma que combinará raios X com um laser de 100 petawatts.
• A Universidade de Ciência e Tecnologia de Xangai lidera o projeto, cuja conclusão e início das operações estão previstos para o fim de 2027.