XFEL, European X-Ray Free Electron · PDF file• Gradiente accelerante x 5 (limite fisico...

XFELThe EuropeanX-Ray Laser Project X-Ray Free-Electron Laser

MASS08 LASAPP 17/10/2008

XFEL, EuropeanX-Ray Free Electron Laser

Paolo Pierini, per il gruppo LASA/XFEL

XFELX-Ray Free-Elect ron Laser

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La “frontiera” delle alte energie e la tecnologia SC

ILC

i dipoli superconduttivi

“Stringa” di dipoli LHC

∅ = 38”

cavità superconduttive a RFACC 4 & ACC 5 in TTF

∅ = 38”

“Stringa” di cavità ILC

LHC

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La missione della Collaborazione TESLA

• Gradiente accelerante x 5 (limite fisico Nb a ~ 50 MV/m)• Riduzione costo per MV al fascio ~ 20 (Efficienza/Industrializzazione)

1992

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TTF/FLASH @ DESY

primo designe catodi

tutti i moduli40% cavità

~15% contributo Italiano all’acceleratore TTF

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I risultati ottenuti con TTF (poi FLASH)

• La TESLA Test Facility (TTF) ha ampiamente raggiunto gli obiettivi iniziali della Collaborazione TESLA

– Nel 2004 è diventata “FEL User Facility” a pieno titolo, col nome FLASH• Fondamentale ruolo di “transizione” per la comunità degli utenti di luce di

sincrotrone di DESY verso le sorgenti di 4° generazione basate su FEL• Tempo fascio principalmente dedicato agli utenti

– Raggiunti i 6.5 nm di progetto nel 2007• TTF e FLASH, assieme alla R&D “trainata” dal Linear collider hanno

posto le basi per la realizzazione di XFEL

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I successi di TTF/FLASH (primo CDR 1995)

2007

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2003 Germania raccomanda XFEL2004 Fase preparatoria

MoU tra partner europei2006 Progetto dettagliato, ESFRI!2007 June 5, Approvazione del progetto2009 Febbraio: fondazione della società

EUROPEAN XFEL

1997 primo fascio in TTF2000 operazione TTF-FEL (80-120 nm)2005 operazione TTF (VUV-FEL) 30 nm2006 13 nm in saturazione

tanti utenti felici!2007 estensione a 1 GeV, raggiunti 6 nm

TESLAThe Superconducting Electron-Positron Linear Collider with an Integrated X-Ray Laser Laboratory

Technical Design Report

March 2001

TESLA XFELFirst Stage of the X-Ray Laser Laboratory

Technical Design ReportSupplement

October 2002



October 2002



October 2002

1965 - collisore lineare 2001 - TESLA&XFEL 2002 XFEL Supplement 2006 XFEL Final TDR

Il lungo percorso verso XFEL

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5 giugno 2007 – Partenza di XFEL

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Proprietà della radiazione XFEL

spontaneousradiation

• Radiazione FEL X (0.2 - 14.4 keV)– impulsi ultracorti <100 fs (rms)– elevate intensità 1012-1014 ph– radiazione coerente x109

– brillanza media x104

• Radiazione spontanea (20-100 keV)– impulsi ultracorti <100 fs (rms)– elevata brillanza

8-9 ordini di grandezza

Sorgenti di 3° generazione

IntensitàImpulsiultra-corti

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Intensità FEL: lo sviluppo della coerenza

Simulazione GENESIS di TTFSven Reiche (UCLA)

Modulazione del fascio di elettroni(processo collettivo)

All’ingresso

inizio dellamodulazione

pienasaturazione

Il “super tandem”:si muovono tutti in fase

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Impulsi ultra-corti: la scala spaziale

In un secondo la luce viaggiadalla terra alla luna

In 100 femtosecondi, la luce attraversa una distanza di 30 micron

Capello umano

30 µm

Molti processi fondamentali in naturasi svolgono su queste scale di tempiultra-corte

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Il ruolo di FLASH

FLASH:il rompighiaccio

per gli XFEL

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Il cosmo in laboratorio

Spettroscopia di stati di eccitazionepresenti solo nelle stelle

temperature [°C]

Esempio:Fe23+

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La prospettiva aperta dai microscopi XFEL

Film o ologrammi in tempo reale del motodi atomi, molecoleed elettroni

nella scala temporaledei fenomeni naturali

Ribosoma

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Immagini a singolo impulso

1012 fotoni in un impulsodi durata ~10 femtosecondi

I campioni si scaldano fino a 60 000 K ed evaporano

Obiettivo:Scattare la foto prima delladistruzione del campione!

H. Chapman, J. Hajdu et al.

Impulso FEL a FLASH: 30 fs, 32 nm, 3 x 1013 W/cm2

1° impulso 2° impulso

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European XFEL

Realizzazione in due fasi

Inizio progetto: 5 giugno 2007

Risoluzione atomicain scala

temporalee spaziale

270 authors from69 institutionsin Europe (57)

America (10)Asia (2)

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3.4km

XFEL, ad Amburgo

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La hall sperimentale e le linee XFEL…

DESY

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La fase 1 del progetto

… dopo la costruzione (simulazione al computer)

DESY

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Preparazione ai tunnel

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Tunnel mockup: Prova delle procedure di installazione

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XFEL: Nuove infrastrutture necessarie

• Infrastruttura attuale di FLASH inadatta alle dimensioni XFEL• XFEL: 100 moduli, ciascuno con 8 cavità superconduttive

– A regime il ritmo di installazione nel tunnel è di 1/settimana• Produzione di cavità e criomoduli INDUSTRIA

– Produzione componenti “meccanici” e trattamenti chimici dai fornitori– Prove di accettazione a DESY

• Cryomodule Assembly Infrastructure LABORATORI– preparazione stringa di cavità in camera ultrapulita– assemblaggio dei criomoduli attorno alla stringa– logistica di supporto/stoccaggio subcomponenti e componenti– CEA/Saclay (F) sta costruendo la nuova infrastruttura,

• Accelerator Module Test Facility LABORATORI– ciascun modulo individualmente provato in condizioni criogeniche prima

dell’installazione del tunnel– DESY equipaggerà la AMTF

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SASE 1planar 0.1 nm

SASE 2tunable, planar

0.1 – 0.4 nm U 2

U 1

e-

electrons 17.5 GeV

Expe

rimen

ts

SASE 3 tunable, helical

0.4 – 1.6 nm

e-

10.0 GeV

1.2 – 4.9 nm

Sistemi di produzione fotoni nel TDR

5 Ondulatori5 stazioni di diagnostica fotoi5 Linee di fascio FEL10 Strumenti3 Rivelatori (2D-area)

~1000 m

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… e nella fase finora approvata

• Focalizzata sulla radiazione SASE– massimo intervallo possibile di energia dei fotoni– minimizzazione del numero di segmenti– ondulatori planari per semplicità nei Soft X-Ray– utilizzo di armoniche e emissione spontanea nelle linee SASE

SASE 1 planar 0.1 nm

e-

electrons

17.5 GeV Expe

rimen

ts

SASE 3 tunable, planar

0.4 Š 1.6 nm

e- SASE 2

tunable, planar ~0.15 Š 0.4 nm

1.2 Š 4.9 nm (10 GeV)

Expe

rimen

ts

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Selezione dei primi esperimenti

Instrument Brief description of the instrument

SPB Ultrafast Coherent Diffraction Imaging of Single Particles, Clusters, and Biomolecules – Structure determination of single particles: atomic clusters, bio-molecules, virus particles, cells.

MID Materials Imaging & Dynamics –Structure determination of nano- devices and dynamics at the nanoscale.

FDE Femtosecond Diffraction Experiments – Time-resolved investigations of the dynamics of solids, liquids, gases

HED High Energy Density Matter – Investigation of matter under extreme conditions using hard x-rays, e.g. probing dense plasmas.

SQS Small Quantum Systems – Investigation of atoms, ions, molecules and clusters in intense fields and non-linear phenomena.

SCS Soft x-ray Coherent Scattering –Structure and dynamics of nano-systems and of non-reproducible biological objects using soft X-rays.

Har

d X-

rays

Soft

X-ra

ys

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La preparazione del progetto internazionale XFEL

WG on Scientific and Technical issues STI (chair: F. Sette, ESRF)

WG on Administrative and Funding issues AFI (chair: H.F. Wagner, Germany)

XFEL Steering Committee ISC (Chair: John Wood, UK)

- Rappresentanti di tutti i paesi che intendono contribuire a XFEL

- 13 paesi hanno firmato i MoU (per la fase preparatoria) nel 2004

- European Project Team (Leader: Massimo Altarelli)

CH CN DE DK ES FR GB GR HU IT PL RU SE

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Work Package

Work Package Groups

La struttura del progetto

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WP 01: Power RF DESY & RU

WP 02: LLRF DESY & Lodz

WP 03: Module CEA & DESY & INFN

WP 04: Cavities DESY & INFN

WP 05: Coupler DESY & LAL

WP 06: HOM DESY & Swierk

WP 07: Tuner DESY & INFN

WP 08: Cold Vacuum DESY & BINP

WP 09: String Assembly CEA & DESY

WP 11: Cold Magnets CIEMAT & DESY

WP 46: 3.9 GHz DESY & INFN

L’Accelerator Consortium: Responsabilità

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Stato preliminare – numeri finali alla fine delle negoziazioni

Stima dei contributi In-kind

Contributions to accelerator consortium (preliminary!)

1.8%

58.1%

0.1%

0.7%

6.8%

6.1%

3.8%

13.4%0.4% 8.0% 0.8%

CH

CN

DE

DK

ES

FR

IT

PL

RU

SE

open

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La “XFEL Company”A inizio 2009 sarà costituita una società di diritto privato, la European XFEL GmbH, con azionisti gli istituti (le nazioni) deipaesi partecipanti. La costruzione e la gestione dell’XFEL sarannoaffidati alla XFEL Company

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Fase preparatoria in 7PQ: Pre-XFEL (5 M€)

• Consente il supporto di:

• Workshop scientifici & User Meeting

• Reclutamento di uno staff internazionale, supporto del Project Team

• Il supporto legale e organizzativo per i contributi In-kind

• Finalizzazione dei testi legali e del contratto tra XFEL e DESY (coordinatore)

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Nella fase 1 sono stati raccolti > 1 B€

• Avvio del primo stadio della macchina

• Tutte l’edilizia specificata nel TDR

• Energia dell’acceleratore limitata a 17.5 GeV

• Ridotto numero di ondulatori e stazioni sperimentali

• Implementazione del progetto TDR in seconda fase

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Documenti legali – ultimati al 22.09.2008!

• Convenzioni tra i governi

• Articles of Association– statuti, regolamentazione del funzionamento della XFEL Company, ...

• Contratti tra la società European XFEL e DESY – DESY: ospite di attività, coordinatore dell’Accelerator Consortium,

fornitore di servizi, ...

• Regole per i contributi In-kind e i contratti

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Stato del processo in Italia?2004 2007

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