Synchrotron czy laser rentgenowski: czym Szwajcarskie Źródło Światła różni się od SwissFEL?

Co łączy obie maszyny

Obie maszyny zamieniają energię szybkich elektronów w światło. Elektron zmuszony do zmiany kierunku wysyła promieniowanie elektromagnetyczne, a im szybciej się porusza, tym krótszą falę może wyemitować. Przy energiach stosowanych w PSI są to promienie rentgenowskie o długości fali porównywalnej z odległościami między atomami.

Obie korzystają też z tego samego kluczowego elementu: undulatora, czyli długiego rzędu magnesów o naprzemiennych biegunach, który wprowadza elektrony w slalom. Różnica tkwi w tym, co dzieje się z elektronami przed undulatorem i za nim – i to ona decyduje, jakie światło powstaje.

Pierścień: te same elektrony w kółko

W Szwajcarskim Źródle Światła elektrony najpierw przyspiesza akcelerator liniowy i booster, a potem trafiają do pierścienia o obwodzie 288 metrów, w którym krążą niemal z prędkością światła. Na torze utrzymują je magnesy. Każde zakrzywienie i każdy undulator na obwodzie daje światło, które wychodzi z pierścienia stycznie i biegnie liniami pomiarowymi do stanowisk eksperymentalnych.

Te same elektrony okrążają pierścień raz za razem, a co kilka minut dosyła się nowe w miejsce utraconych. Światło jest więc praktycznie ciągłe i dzielone między wielu użytkowników: PSI opisywało ponad 20 stanowisk wokół pierścienia, z których każde wybiera potrzebną długość fali – od podczerwieni po twarde promieniowanie rentgenowskie. Według PSI SLS wytwarza promienie X miliardy razy jaśniejsze niż szpitalny aparat rentgenowski.

Dlatego synchrotron jest koniem pociągowym badań strukturalnych. W całym okresie pracy pierwszego SLS, od 2001 do 2023 roku, PSI naliczyło około 22 500 eksperymentów i ponad 10 000 rozwiązanych struktur białek. Przebudowany pierścień SLS 2.0 zainaugurowano w sierpniu 2025 roku; na niektórych liniach daje światło nawet 1000 razy jaśniejsze.

Prosta linia: każdy elektron raz

SwissFEL nie ma pierścienia. Elektrony wybite laserem z metalowej płytki są przyspieszane na prostym odcinku do energii odpowiadającej przejściu przez napięcie 6 miliardów woltów, a potem raz przelatują przez łańcuch undulatorów – na twardej linii rentgenowskiej Aramis łącznie 60 metrów.

Decydujący krok dzieje się w undulatorach. Magnesy zmuszają elektrony do ruchu po falistym torze, a na dostatecznie długiej drodze wysyłane przez nie promienie X wzmacniają się lawinowo. W tym procesie promieniowanie nabiera cech światła laserowego – i to jest zasadnicza różnica w stosunku do synchrotronu. PSI podaje, że powstające błyski trwają od 1 do 60 femtosekund – femtosekunda to jedna milionowa jednej miliardowej sekundy. Na linii Aramis nowy błysk powstaje co 10 milisekund, czyli 100 razy na sekundę.

Ponieważ każda paczka elektronów jest używana tylko raz, laser rentgenowski obsługuje naraz znacznie mniej eksperymentów niż synchrotron. SwissFEL ma dwie linie: Aramis do twardego i Athos do miękkiego promieniowania rentgenowskiego, z pięcioma stanowiskami łącznie.

Zdjęcie czy film: która maszyna do jakiego pytania

Wybór wynika z pytania. Jeśli badacze chcą wiedzieć, gdzie są atomy w białku, materiale do baterii czy katalizatorze, najlepsza jest stała, intensywna wiązka: dane można zbierać minutami albo godzinami, a wiele grup pracuje równolegle. To domena SLS.

Jeśli chcą wiedzieć, jak atomy się poruszają – jak przebiegają pośrednie etapy reakcji chemicznej albo jak razem zmieniają się struktura elektronowa i atomowa materiału – potrzebują migawki szybszej niż ruch. Tę daje SwissFEL. Reakcję uruchamia się laserem, a potem fotografuje w kolejnych chwilach, klatka po klatce, i składa z tego film. Obie maszyny nie konkurują więc ze sobą, tylko się uzupełniają: jedna obsługuje naraz wiele eksperymentów stałą wiązką, druga jest zbudowana do śledzenia procesów na bieżąco.

Jeden z nielicznych laserów rentgenowskich

Synchrotrony działają w wielu krajach, rentgenowskich laserów na swobodnych elektronach jest niewiele. European XFEL w Hamburgu zestawia duże rentgenowskie lasery na swobodnych elektronach w tabeli porównawczej: rozruch LCLS w Stanach Zjednoczonych zaczął się w 2009 roku, SACLA w Japonii w 2011 roku, a SwissFEL, PAL-XFEL w Korei Południowej i European XFEL – w 2016 roku. SwissFEL należy do najbardziej zwartych: ma 0,74 kilometra i daje 100 błysków na sekundę. European XFEL ma 3,4 kilometra długości i dzięki nadprzewodzącemu akceleratorowi chłodzonemu do minus 271 °C wytwarza 27 000 błysków na sekundę.

A w Polsce?

Polska ma własny synchrotron. SOLARIS, Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego przy Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie, otwarto 21 września 2015 roku. Jego pierścień akumulacyjny, kopia jednego z dwóch pierścieni akumulacyjnych zbudowanych w ośrodku synchrotronowym w szwedzkim Lund, ma obwód 96 metrów, a energia elektronów wynosi 1,5 GeV. Według centrum w 2026 roku działa siedem linii badawczych, a trzy kolejne są w budowie; dostęp jest bezpłatny i przyznawany w dwóch naborach w roku (stan na 3 listopada 2026 r.).

Własnego lasera rentgenowskiego Polska nie ma, ale jest jednym z udziałowców European XFEL – reprezentuje ją Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ). Strona o udziale Polski prowadzona przez Instytut Fizyki PAN podaje, że polski udział wynosi 2,13 procent. Polscy badacze mogą też ubiegać się o czas pomiarowy w PSI w otwartych naborach z recenzją, opisanych na stronie PSI. Trzeci rodzaj sondy w PSI, neutrony, nie pochodzi z żadnej z tych maszyn; skąd się biorą, wyjaśnia artykuł Czy w PSI działa reaktor jądrowy?