Synchrotron Solaris – budynek znajdujący się na kampusie UJProf. dr hab. Marek Stankiewicz mówi o Synchrotronie SolarisPodkast Nauka XXI wieku. Prof. dr hab. Marek Stankiewicz mówi o Synchrotronie Solaris
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.
Pierścień akumulacyjny z lotu ptaka -widok na magnesy
Nazwa synchrotronu SOLARIS pochodzi od powieściStanisława Lema, który mieszkał i pracował w Krakowie[1].
Historia
Widok na linie badawcze - 2018
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.[2]. 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[3]. 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[4] oraz komór próżniowych[5]. W czerwcu 2015 r. zespół fizyków z SOLARIS wprowadził wiązkę elektronów do pierścienia synchrotronu i zobaczył pierwsze światło przy wyjściu do linii badawczych[6]. We wrześniu 2015 r. odbyło się uroczyste otwarcie Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS[7].
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.
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[8].
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[9]. Uzyskane promieniowanie jest przesyłane do urządzeń określanych jako linie badawcze.
Synchrotron SOLARIS rozpoczął funkcjonowanie z dwiema liniami badawczymi, w roku 2022 jest już 5 działających linii[10]:
PIRX (ang.Premiere InstRument for Xas) (dawniej XAS) – linia badawcza wykorzystująca promieniowanie synchrotronowe emitowane przez magnes zakrzywiający. Linia dedykowana jest do pomiarów spektroskopowych i mikroskopowych w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego (100-2000 eV). Technika wykorzystuje zjawiska rezonansowej absorpcji rentgenowskiej, naturalnego dichroizmu liniowego (XNLD), magnetycznego dichroizmu kołowego (XMCD) i magnetycznego dichroizmu liniowego (XMLD). Linia znajduje swoje zastosowanie w szerokim zakresie badań takich, jak badania właściwości magnetycznych materiałów, nadprzewodników, cienkich warstw, w fizyce materiałowej i fizyce powierzchni oraz materiałów domieszkowanych[11].
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[12].
PHELIX – linia wykorzystuje miękkie promieniowanie rentgenowskie wytwarzane przez undulator typu APPLE II z magnesami stałymi. Undulator ten pozwala na otrzymanie zmiennej polaryzacji światła- liniowej, kołowej i eliptycznej. Linia umożliwia spektroskopowe badania absorpcyjne. Dostępnymi technikami badawczymi na linii są: spektroskopia fotoemisyjna PES (ang. photoemission spectroscopy) oraz XAS. Zastosowanie: w badaniach nowych materiałów (spintronika, magnetoelektronika, izolatory topologiczne) oraz cienkich warstw i wielowarstw. Stacja badawcza wyposażona jest w komorę próżniową do preparacji próbek z możliwością wygrzewania i dozowania gazów, oraz komorę łupaczki mechanicznej umożliwiającą precyzyjne łupanie próbek[13].
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[14].
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[15].
SOLCRYS – linia do badań strukturalnych, która będzie wykorzystywać twarde promieniowanie rentgenowskie (do 25 keV), a źródłem promieniowania jest wiggler nadprzewodzący. Techniki badawcze na linii to dyfrakcja promieniowania X na monokryształach (krystalografia białek), mało-kątowe rozpraszanie promieniowania X (SAXS) oraz dyfraktometria proszkowa. Zastosowanie: w badaniach strukturalnych (materiały biologiczne, makromolekularne, farmaceutyczne, krystaliczne, etc.) oraz wykonywanych w ekstremalnych warunkach (wysokie ciśnienie, temperatura), badania nanomateriałów, polimerów, ciekłych kryształów, białek błonowych, wirusów, błon biologicznych i kwasów nukleinowych, sit molekularnych. Linia jest uruchamiana w 2022 r.[17]
CIRI(ang. Chemical InfraRed Imaging) – dawniej SOLAIR – linia badawcza mikroskopii absorpcyjnej w zakresie podczerwieni wraz z obrazowaniem. Źródłem promieniowania jest magnes zakrzywiający. Linia będzie 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. Planowane badania umożliwią między innymi ukierunkowanie syntezy potencjalnych leków i ich projektowanie[18].
POLYX – linia badawcza będzie umożliwiać wysokorozdzielcze multimodalne obrazowanie w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego. Źródłem promieniowania jest magnes zakrzywiający. Dostępnymi technikami będą: 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.[19]
Docelowo na hali eksperymentalnej synchrotronu SOLARIS znajdzie się kilkanaście linii badawczych. Łącznie będą one wyposażone w około trzydzieści stanowisk pomiarowych.
Schemat synchrotronu SOLARIS z działającymi liniami badawczymi
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[20]. Dla użytkowników synchrotronu powstał specjalny portal DUO (Digital User Office), przez który mogą składać wnioski o czas badawczy[21].
Możliwe są także badania komercyjne[22].
