Solaris (synchrotron)

SOLARIS – jedyny synchrotron w środkowo-wschodniej części Europy, zbudowany w Krakowie w Polsce w 2015 roku przez Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS, jednostkę pozawydziałową Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Synchrotron SOLARIS to akcelerator elektronów oraz nowoczesne urządzenie badawcze generujące promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim zakresie od podczerwieni do promieniowania rentgenowskiego. Synchrotron przyspiesza wiązkę elektronów do energii 1,5 GeV, umożliwiając, z zastosowaniem undulatora, otrzymanie promieniowania synchrotronowego o energii fotonu z zakresu miękkiego promieniowania rentgenowskiego (linia PEEM/XAS, do 2000 eV) lub dalekiego ultrafioletu (linia UARPES, 8 - 100 eV). Przeznaczone jest do badań w wielu dziedzinach nauki, m.in. w biologii, fizyce, chemii, medycynie, archeologii, historii sztuki.

Budynek, w którym znajduje się synchrotron, zlokalizowany jest na terenie Kampusu 600-lecia Odnowienia Uniwersytetu Jagiellońskiego. Sąsiaduje on z podstrefą specjalnej strefy ekonomicznej zarządzanej przez Krakowski Park Technologiczny.

Nazwa synchrotronu SOLARIS pochodzi od powieści Stanisława Lema, który mieszkał i pracował w Krakowie.

Historia

Starania związane z powstaniem polskiego synchrotronu rozpoczęły się w 1998 roku, gdy grono profesorów z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego i Akademii Górniczo-Hutniczej, w tym również członków Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego, wystąpiło do ówczesnego Komitetu Badań Naukowych z inicjatywą budowy synchrotronu oraz utworzenia Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego.

Formalny wniosek w sprawie budowy polskiego źródła promieniowania synchrotronowego wpłynął do Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w 2006 r.. W 2009 r. Uniwersytet Jagielloński podpisał umowę o współpracy ze szwedzkim laboratorium MAX-Lab, działającym przy Uniwersytecie w Lund. Porozumienie zakładało budowę dwóch bliźniaczych ośrodków promieniowania synchrotronowego: w Polsce i w Szwecji. Projekty synchrotronów wykorzystywały rozwiązania technologiczne opracowane przez szwedzkich naukowców i inżynierów.

W kwietniu 2010 r. Uniwersytet Jagielloński podpisał umowę z Ministerstwem Nauki i Szkolnictwa Wyższego na dofinansowanie projektu „Narodowe Centrum Promieniowania Elektromagnetycznego dla celów badawczych (etap I)”. Źródłem funduszy był Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka 2007-2013. Budynek, w którym mieści się synchrotron, powstał w okresie od stycznia 2012 r. do maja 2014 r. W 2014 r. zakończyły się prace instalacyjne urządzeń, m.in. elektromagnesów oraz komór próżniowych. W czerwcu 2015 r. zespół fizyków z SOLARIS wprowadził wiązkę elektronów do pierścienia synchrotronu i zobaczył pierwsze światło przy wyjściu do linii badawczych. We wrześniu 2015 r. odbyło się uroczyste otwarcie Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS.

Pierwsi użytkownicy linii badawczych rozpoczęli badania w październiku 2018 r.

1 marca 2019 roku na Pierwszym Zjeździe Konsorcjum Kriomikroskopii, organu skupiającego specjalistów biologii strukturalnej z całej Polski, podjęto oficjalną decyzję o otwarciu na terenie SOLARIS Krajowego Centrum Kriomikroskopii Elektronowej. Sercem Centrum Kriomikroskopii stały się dwa najwyższej generacji kriomikroskopy elektronowe, które z uwagi na wysoką rozdzielczość i metodę pomiarową, rewolucjonizują biologię strukturalną.

Budowa i działanie

Synchrotron jest akceleratorem elektronów, jego głównymi częściami są akcelerator liniowy i pierścień akumulacyjny.

Pierwszym elementem akceleratora jest działo elektronowe, składa się ono z katody z tlenku baru emitującej elektrony oraz wstępnego akceleratora w postaci wnęki rezonansowej formującej paczki elektronów i przyspieszającej je do energii 2,8 MeV. Tak uformowane paczki elektronów trafiają do akceleratora liniowego (liniaka) o długości 40 m, przyspiesza on elektrony do energii do 600 MeV. Liniak składa się z sześciu struktur przyspieszających, między którymi są sekcje formujące i korygujące tor wiązki elektronów. Elektrony są wstrzykiwane do pierścienia akumulacyjnego przez zespół urządzeń określanych jako linia transferowa.

Pierścień akumulacyjny jest głównym akceleratorem w centrum SOLARIS. Układ w postaci pierścienia składa się z 12 sekcji zakrzywiających (DBA) tor ruchu i formujących wiązkę. Każda z tych sekcji składa się z magnesów dipolowych zakrzywiających oraz kwadrupolowych i sekstupolowych ogniskujących wiązkę. Sekcje zakrzywiające przedzielone są sekcjami prostymi. W dwóch sekcjach prostych zainstalowane są urządzenia przyspieszające i formatujące wiązki. W 10 można wstawić undulatory i wiglery, tworzące promieniowanie synchrotronowe. Uzyskane promieniowanie jest przesyłane do urządzeń określanych jako linie badawcze.

Parametry pierścienia akumulacyjnego SOLARIS

Ważniejsze parametry pierścienia akumulacyjnego SOLARIS:

• Obwód pierścienia: 96 m
• Energia elektronów: 1,5 GeV
• Prąd: 500 mA
• Główna częstotliwość: 99,91 MHz
• Maksymalna liczba paczek elektronowych: 32
• Emitancja horyzontalna (bez UW): 6 nm rad
• Sprzężenie: 1%
• Dostrojenie Q_x, Q_y: 11,22; 3,15
• Naturalna chromatyczność ξ_x, ξ_y: -22,96, -17,14
• Skorygowana chromatyczność ξ_x, ξ_y: +1, +1
• Rozmiar wiązki (centrum sekcji prostej) σ_x, σ_y: 184 μm, 13 μm
• Rozmiar wiązki (centrum dipola) σ_x, σ_y: 44 μm, 30 μm
• Liczba sekcji prostych dla urządeń: 10
• Liczba sekcji prostych technicznych: 2
• Kompakcja pędu: 3,055 x 10^-3
• Całkowity czas życia elektronów: 13 h.

Linie badawcze synchrotronu SOLARIS

Synchrotron SOLARIS rozpoczął funkcjonowanie z dwiema liniami badawczymi, w roku 2022 jest już 7 działających linii:

• PIRX (ang. Premiere InstRument for Xas) – linia badawcza wykorzystująca promieniowanie synchrotronowe emitowane przez magnes zakrzywiający. Linia została zaprojektowana do pomiarów spektroskopowych w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego (100-2000 eV). W badaniach prowadzonych na linii PIRX wykorzystywane są techniki oparte na zjawiskach: absorpcji promieniowania rentgenowskiego (XAS), naturalnego dichroizmu liniowego (XNLD), magnetycznego dichroizmu kołowego (XMCD) i magnetycznego dichroizmu liniowego (XMLD). Umożliwiają one selektywne badanie powierzchni i warstw granicznych z czułością pierwiastkową. Linia znajduje zastosowanie w interdyscyplinarnych badaniach z obszaru inżynierii materiałowej, katalizy, fizyki nadprzewodników, analizy materiałów domieszkowanych oraz badań magnetyzmu powierzchni, interfejsów i cienkowarstwowych struktur .

• URANOS (ang. Ultra Resolved ANgular phOtoelectron Spectroscopy) (dawniej UARPES) – linia dostarcza fotony w zakresie próżniowego ultrafioletu. Dostępnymi technikami na linii badawczej jest ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy), dyfrakcja elektronów niskiej energii (MCP-LEED) oraz spektroskopia elektronów Augera (AES). Technika ARPES pozwala na pomiar trzech fundamentalnych dla elektronów parametrów: energii, pędu i spinu. Tym samym pozwala na pełny opis elektronowej struktury materii. Stosowana jest m.in. w badaniach nowych materiałów elektronicznych, nanostruktur, w fizyce nadprzewodników i półprzewodników.
• PHELIX  – linia badawcza wykorzystuje miękkie promieniowanie rentgenowskie generowane przez undulator typu APPLE II. Linia została zaprojektowana do eksperymentów z zastosowaniem spektroskopii fotoelektronowej (PES) oraz spektroskopii absorpcji rentgenowskiej (XAS) w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego, prowadzonych w warunkach ultrawysokiej próżni.Stacja końcowa PES i XAS w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego umożliwia badanie struktury elektronowej różnych materiałów – od wysoko uporządkowanych kryształów po fazy amorficzne, takie jak ceramiki, szkło czy minerały. Szeroki wachlarz dostępnych technik czyni tę stację unikatowym i potężnym narzędziem do badania bardzo złożonych układów. Eksperymenty PES mogą być realizowane z wykorzystaniem kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoelektronowej (ARPES), ARPES z dichroizmem kołowym (CD-ARPES), Spin-ARPES i XPS. Analizator energii SPECS PHIOBOS 225 z systemem deflektorów i kamerą CMOS pozwala na zbieranie danych fotoemisyjnych z rozdzielczością energetyczną 2 meV oraz kątową 0.1°. Widma absorpcyjne mogą być rejestrowane z wykorzystaniem Total Electron Yield (TEY), Total Fluorescence Yield (TFY) i Partial Electron Yield (PEY). Stacja końcowa PHELIX obejmuje również komorę MBE umożliwiającą odparowywanie Fe, Co i Sn, z opcją instalacji dodatkowych źródeł ewaporacji. Komory przygotowawcze pozwalają na przygotowanie próbek w szerokim zakresie temperatur – od 120 K do 2000 K..
• DEMETER (ang. Dual Microscopy and Electron Spectroscopy Beamline) – linia wykorzystuje miękkie promieniowanie rentgenowskie o zmiennej polaryzacji emitowane przez undulator EPU (ang. elliptically polarizing undulator). Linia posiada dwie stacje końcowe: skaningowy transmisyjny mikroskop rentgenowski STXM oraz fotoemisyjny mikroskop elektronowy PEEM. Zastosowanie: badania uporządkowania magnetycznego i struktury domenowej, obrazowanie chemiczne z bardzo wysoką rozdzielczością oraz spektroskopia biomolekuł.
• ASTRA - dawniej SOLABS – linia spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego, dla której źródłem promieniowania jest magnes zakrzywiający. Zastosowanie: do badań materiałowych, badania lokalnej struktury stopów, katalizatorów jednoatomowych, nano-cząstek, analizy funkcji centrów aktywnych w metaloproteinach, specjacji chemicznych pierwiastków toksycznych, badania technologii produkcji farb w obrazach historycznych i ceramiki renesansowej.
• POLYX – linia badawcza umożliwia wysokorozdzielcze multimodalne obrazowanie w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego. Źródłem promieniowania jest magnes zakrzywiający. Dostępnymi technikami są: rentgenowska mikroanaliza fluorescencyjna (micro-XRF), spektroskopia progu absorpcji promieniowania X (micro-XAFS) oraz mikro-tomografia komputerowa (micro-CT). Zastosowanie: testowanie nowych rozwiązań dotyczących optyki rentgenowskiej i detektorów, badania próbek słabo absorbujących, np. materiałów biologicznych, uzyskiwanie informacji głębokościowej o rozkładzie pierwiastkowym, badania morfologiczne obiektów, trójwymiarowe obrazowanie lokalnej struktury atomowej itp.
• CIRI (ang. Chemical InfraRed Imaging) – dawniej SOLAIR – linia badawcza mikroskopii absorpcyjnej w zakresie podczerwieni wraz z obrazowaniem. Źródłem promieniowania jest magnes zakrzywiający. Linia posiadała dwie stacje końcowe: mikroskop z promieniowaniem w podczerwieni z transformatą Fouriera oraz mikroskop do nano-spektroskopii w podczerwieni sprzężonej z mikroskopią sił atomowych i skaningową mikroskopią bliskiego pola (obrazowanie AFM-SNOM-FTIR). Zastosowanie: w biomedycynie, nanotechnologii, naukach o środowisku i wielu innych dziedzinach. Badania umożliwią między innymi ukierunkowanie syntezy potencjalnych leków i ich projektowanie.

Linie badawcze w budowie

W trakcie budowy są linie

• SMAUG (ang. Small Angle X-ray Scattering) - dawnej SOLCRYS – jest linią opartą na magnesie zakrzywiającym, działającą w zakresie energii od 6 do 15 keV. Planowane możliwości badawcze stacji końcowej obejmują pomiary w następujących technikach: bioSAXS (badania układów biologicznych w roztworze), SEC-SAXS (połączenie badań SAXS z jednoczesną separacją chromatograficzną), statyczne pomiary SAXS (w tym badania w niskich i wysokich temperaturach oraz w polach magnetycznych lub elektrycznych), a także pomiary SAXS próbek ciekłych pod wysokim ciśnieniem. Stacja końcowa będzie funkcjonować z wykorzystaniem laboratoryjnego źródła promieniowania rentgenowskiego od roku 2025, natomiast planowane podłączenie do synchrotronu przewidziane jest na rok 2027.

• ARYA - dawniej część projektu SOLCRYS – linia badawcza do badań strukturalnych, która będzie wykorzystywać promieniowanie X z wigglera trzypolowego do badań struktury białek, kwasów nukleinowych i małych cząsteczek w różnych warunkach (temperatura pokojowa, temperatury kriogeniczne, podwyższone ciśnienie). Zastosowanie w biologii strukturalnej, chemii i farmakologii i wielu innych dziedzinach. Planowane zakończenie budowy linii: koniec 2027.

Docelowo na hali eksperymentalnej synchrotronu SOLARIS znajdzie się kilkanaście linii badawczych. Łącznie będą one wyposażone w około trzydzieści stanowisk pomiarowych.

Parametry budynku

• Powierzchnia budynku – 8000m²
• Powierzchnia hali wraz z pierścieniem – 3000 m²
• Wysokość całego budynku – 19,7 m
• Wysokość budynku nad powierzchnią ziemi – 12,5 m
• Hala – 3,2 m poniżej poziomu terenu
• Tunel liniaka oraz tunel technologiczny – 7,7 m poniżej poziomu terenu
• Tunel liniaka – długość 110 m, szerokość 4,15 m
• Tunel technologiczny – długość 110 m, szerokość 5,20 m.

Badania

Dostęp do SOLARIS jest bezpłatny dla naukowców prowadzących badania niekomercyjne. Dla użytkowników synchrotronu powstał specjalny portal SUN (Solaris User Network), przez który mogą składać wnioski o czas badawczy. Możliwe są także badania komercyjne.

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Strona internetowa Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego Solaris
• Strona internetowa Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego
• Karolina Głowacka, Marek Stankiewicz i Adriana Wawrzyniak, Synchrotron Solaris – potężne narzędzie polskiej nauki, kanał „Radio Naukowe” na YouTube, 2 marca 2023 [dostęp 2023-09-21].