शंघाई का SHINE एक्स-रे लेज़र पहली बार चमका, 2027 तक शुरू करने का लक्ष्य

4 GeV की किरण से शंघाई की बड़ी परियोजना परिचालन के करीब

शंघाई में चीन की SHINE अनुसंधान सुविधा ने 4 गीगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट (GeV) की इलेक्ट्रॉन किरण का उपयोग करके पहली बार मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेज़र प्रकाश उत्पन्न किया है। यह ऊर्जा पूर्ण त्वरक के लिए नियोजित ऊर्जा की आधी है। शंघाईटेक यूनिवर्सिटी ने 21 अक्टूबर को इस उपलब्धि की घोषणा की। यह परियोजना को 2027 के अंत तक पूरा कर चालू करने के लक्ष्य की दिशा में एक बड़ा कदम है।

पहली लेज़र किरण 18 अंडुलेटर मॉड्यूलों से बनाई गई। हर मॉड्यूल 4 मीटर लंबा है और उसमें चुंबकीय पैटर्न 55 मिलीमीटर के अंतराल पर दोहराया जाता है। ये मॉड्यूल मिलकर 72 मीटर लंबी चुंबकीय संरचनाएं बनाते हैं, जो तेज़ इलेक्ट्रॉनों को घुमावदार रास्ते पर मोड़ती हैं। इससे वे प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, जो मिलकर एक तीव्र लेज़र पल्स बनाता है।

SHINE, यानी Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility, को वैज्ञानिकों के लिए नैनोमीटर स्तर की संरचनाओं और फेम्टोसेकंड तक चलने वाले बदलावों का अध्ययन करने के उद्देश्य से बनाया जा रहा है। एक नैनोमीटर मीटर का एक अरबवां हिस्सा है; एक फेम्टोसेकंड एक सेकंड के एक अरबवें हिस्से का दस लाखवां हिस्सा है। इन पैमानों पर शोधकर्ता परमाणुओं और अणुओं की सूक्ष्म संरचनाओं और तेज़ गतियों की जांच कर सकते हैं।

निर्माण अप्रैल 2018 में शुरू हुआ था। पूरा होने पर अतिचालक रेखीय त्वरक के 8 GeV तक पहुंचने की उम्मीद है। इसके कुछ परिचालन मोड प्रति सेकंड 10 लाख तक एक्स-रे पल्स दे सकेंगे। पहली दो अंडुलेटर लाइनों में फोटॉन ऊर्जा 0.2 से 15 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट (keV) तक रहने की उम्मीद है।

तत्काल उपलब्धि कमीशनिंग के दौरान लेज़र प्रकाश का उत्पादन है। कमीशनिंग में उपकरणों को चालू करने और उनका प्रदर्शन जांचने की प्रक्रिया शामिल होती है। 2027 में परिचालन शुरू होने की नियोजित प्रक्रिया के तहत अतिथि शोधकर्ताओं के नियमित प्रयोग भी शामिल हैं। शंघाईटेक ने शोधकर्ताओं के लिए सटीक उद्घाटन तारीख या आवेदन कार्यक्रम की घोषणा नहीं की है।

चलते इलेक्ट्रॉन एक्स-रे लेज़र कैसे बनाते हैं

SHINE की शुरुआत इलेक्ट्रॉनों से होती है, न कि उस प्रकाश-उत्पादक सामग्री से जो कई परिचित लेज़रों के भीतर होती है। इसका रेखीय त्वरक इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा देता है और फिर उन्हें अंडुलेटरों से गुजारता है। वहां बदलते चुंबकीय क्षेत्र उन्हें अगल-बगल गति कराते हैं, जिससे विकिरण निकलता है।

इलेक्ट्रॉन और विकिरण क्रमिक मॉड्यूलों से गुजरते हुए परस्पर क्रिया करते हैं। अनुकूल परिस्थितियों में इलेक्ट्रॉन छोटे-छोटे समूहों में व्यवस्थित हो जाते हैं और एक साथ उत्सर्जन करते हैं। इससे प्रकाश बढ़कर एक शक्तिशाली पल्स बनता है। इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा और चुंबकीय संरचनाओं के बीच की दूरी, परिणामी फोटॉनों की ऊर्जा तय करने में मदद करती हैं। फोटॉन प्रकाश के अलग-अलग ऊर्जा-पैकेट होते हैं।

4 GeV का आंकड़ा पहली किरण के लिए इस्तेमाल इलेक्ट्रॉन बीम की ऊर्जा बताता है। 0.2 से 15 keV की सीमा पहली दो लाइनों से मिलने वाले अपेक्षित फोटॉनों की ऊर्जा बताती है। ये मशीन के अलग-अलग हिस्सों के माप हैं: यहां GeV प्रक्रिया को संचालित करने वाले कणों की ऊर्जा दर्शाता है, जबकि keV प्रयोगों के लिए उपलब्ध एक्स-रे की ऊर्जा बताता है।

SHINE में निरंतर तरंग वाला अतिचालक त्वरक इस्तेमाल होता है। अतिचालक घटक बहुत कम तापमान पर काम करते हैं और उनमें विद्युत धारा बहुत कम प्रतिरोध के साथ बहती है। निरंतर तरंग संचालन में त्वरक के रेडियो-फ्रीक्वेंसी क्षेत्र लगातार सक्रिय रहते हैं। इससे बहुत अंतराल पर आने वाले पल्सों पर निर्भर रहने के बजाय इलेक्ट्रॉनों के समूह बार-बार भेजे जा सकते हैं।

तीन बीमलाइन, ऊर्जा की अलग-अलग सीमाएं

पहला चरण, पहली किरण की उपलब्धि में इस्तेमाल उपकरणों से कहीं बड़ा है। इंटरनेशनल पार्टिकल एक्सेलरेटर कॉन्फ्रेंस में प्रस्तुत परियोजना के 2024 प्रगति-पत्र में तीन अंडुलेटर लाइनें, तीन एक्स-रे परिवहन बीमलाइन और 10 प्रयोग स्टेशन बताए गए हैं। इनकी आधारभूत फोटॉन ऊर्जा सीमा 0.4 से 25 keV है।

FEL-I को 3 से 15 keV, FEL-II को 0.4 से 3 keV और FEL-III को 10 से 25 keV के लिए बनाया जा रहा है। FEL-II सबसे कम ऊर्जा वाले, यानी सबसे मृदु एक्स-रे बनाती है। दूसरी दो लाइनें अधिक कठोर एक्स-रे बनाती हैं, जिनके फोटॉन की ऊर्जा अधिक और तरंगदैर्ध्य कम होता है।

हालिया घोषणा में 0.2 से 15 keV की सीमा पहली दो लाइनों से संबंधित है। 0.4 से 25 keV की व्यापक आधारभूत सीमा में FEL-III भी शामिल है। 2024 के पत्र में एक अतिरिक्त बाईपास का भी उल्लेख है, जो FEL-II तक 5 GeV का इलेक्ट्रॉन बीम पहुंचाएगा और उसके आउटपुट को 0.2 keV तक ले जाएगा।

उसी पत्र में FEL-I के लिए 42 समतलीय अंडुलेटर और FEL-II के लिए 32 अंडुलेटर बताए गए हैं। इसके अलावा, आगे की ओर चार अंडुलेटर हैं, जिनसे ध्रुवण समायोजित किया जा सकता है। ध्रुवण वह दिशा है जिसमें प्रकाश का विद्युत क्षेत्र दोलन करता है। पहली किरण के लिए इस्तेमाल किए गए 18 मॉड्यूल इस बड़े नियोजित संयंत्र के भीतर कमीशनिंग की एक व्यवस्था हैं।

प्रदर्शन भी हर लाइन में अलग होगा। डिजाइन के अनुसार FEL-I और FEL-II में पल्स लगभग 30 फेम्टोसेकंड के होंगे और उनकी आवृत्ति 1 MHz तक होगी, यानी प्रति सेकंड 10 लाख पल्स। 2023 के एक तकनीकी अध्ययन में FEL-III के लिए 0.1 MHz तक की दर बताई गई है, यानी प्रति सेकंड 1 लाख पल्स।

इतने छोटे पल्स से वैज्ञानिक क्या देख सकेंगे

जीवन विज्ञान, क्वांटम पदार्थ और भविष्य की ऊर्जा पर शोध, SHINE के नियोजित उपयोगों में शामिल हैं। इन लक्ष्यों के लिए छोटे स्थानिक पैमानों और बहुत कम समय के एक्सपोज़र का मेल अहम है: शोधकर्ता जानना चाहते हैं कि पदार्थ की संरचना कैसी है और वह संरचना कैसे बदलती है।

एक छोटा एक्स-रे पल्स किसी तेज़ प्रक्रिया के एक चरण को दर्ज कर सकता है। प्रक्रिया शुरू करने और उसकी जांच करने के बीच अलग-अलग समयांतराल रखकर प्रयोग दोहराने से बदलावों का क्रम तैयार किया जा सकता है, ठीक वैसे ही जैसे अलग-अलग फ्रेम मिलकर फिल्म बनाते हैं। बार-बार आने वाले पल्स माप लेने के अधिक अवसर देते हैं, जो तब खास तौर पर उपयोगी हो सकते हैं जब अलग-अलग संकेत कमजोर हों।

शुरुआती प्रयोग स्टेशनों में सुसंगत विवर्तन इमेजिंग, अल्ट्राफास्ट एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी, फोटोइलेक्ट्रॉन मापन और सीरियल फेम्टोसेकंड क्रिस्टलोग्राफी का उपयोग करने की योजना है। विवर्तन इमेजिंग में नमूने से एक्स-रे बिखरने पर बने पैटर्न से उसकी संरचना का पुनर्निर्माण किया जाता है। स्पेक्ट्रोस्कोपी यह जांचती है कि पदार्थ विकिरण को कैसे अवशोषित या उत्सर्जित करता है। इससे उसकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना के बारे में जानकारी मिलती है।

सीरियल फेम्टोसेकंड क्रिस्टलोग्राफी में बहुत छोटे पल्सों के संपर्क में आए कई सूक्ष्म क्रिस्टलों से विवर्तन पैटर्न जुटाए जाते हैं। फोटोइलेक्ट्रॉन तकनीकें प्रकाश से मुक्त हुए इलेक्ट्रॉनों को मापती हैं, जिससे शोधकर्ताओं को यह जांचने में मदद मिलती है कि पदार्थों के भीतर इलेक्ट्रॉन कैसे व्यवहार करते हैं। इन तरीकों से SHINE सूक्ष्म संरचना और तेज़ भौतिक या रासायनिक बदलावों के बीच संबंध जानने के कई रास्ते देगा।

प्रकाश पर अधिक नियंत्रण

SHINE की मृदु एक्स-रे लाइन को एक ही तरह के पल्स के बजाय कई परिचालन मोड देने के लिए डिजाइन किया जा रहा है। Frontiers in Physics में प्रकाशित 2023 के बीमलाइन अध्ययन में स्व-प्रवर्धित स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन, सेल्फ-सीडिंग, बाहरी सीडिंग और ध्रुवण नियंत्रण को आधारभूत विकल्प बताया गया है।

स्व-प्रवर्धित स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन, जिसे आम तौर पर SASE कहा जाता है, में लेज़र इलेक्ट्रॉनों के शुरुआती विकिरण से बढ़ता है। सीडिंग में इसकी जगह अधिक नियंत्रित शुरुआती संकेत इस्तेमाल किया जाता है। सेल्फ-सीडिंग में एक्स-रे विकिरण के एक हिस्से को छानकर आगे के प्रवर्धन के लिए इस्तेमाल किया जाता है; बाहरी सीडिंग की शुरुआत एक अलग लेज़र से होती है। इन तरीकों का उद्देश्य अधिक सटीक रूप से नियंत्रित स्पेक्ट्रम और समय-संरचना वाला प्रकाश बनाना है।

अध्ययन में 32 मॉड्यूल वाले मृदु एक्स-रे रेडिएटर का विवरण है। हर मॉड्यूल 4 मीटर लंबा है और मुख्य चुंबकीय अवधि 55 मिलीमीटर है। आगे के 14 मॉड्यूलों को 55 और 75 मिलीमीटर की अवधियों के बीच बदला जा सकने के लिए डिजाइन किया गया था। यह लचीलापन अलग-अलग परिचालन स्थितियों और सीड लेज़र के विकिरण को कम तरंगदैर्ध्य में बदलने की तकनीकों में मदद करता है।

इससे जुड़ी कुछ तकनीक का परीक्षण शंघाई की अलग SXFEL नामक मृदु एक्स-रे मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेज़र सुविधा में पहले ही किया जा चुका था। अध्ययन में इको-इनेबल्ड हार्मोनिक जनरेशन का उपयोग कर 47वें और 54वें हार्मोनिक पर लेज़र उत्सर्जन दर्ज किया गया है। इस विधि में इलेक्ट्रॉनों को इस तरह व्यवस्थित किया जाता है कि वे सीड लेज़र की आवृत्ति के गुणजों पर उत्सर्जन करें। अध्ययन में 61वें हार्मोनिक पर संकेत भी दर्ज है।

मोनोक्रोमेटर, यानी फोटॉन ऊर्जा की संकीर्ण सीमा चुनने वाला ऑप्टिकल उपकरण, का SXFEL में 2022 के अंत में परीक्षण किया गया था। 520 इलेक्ट्रॉनवोल्ट पर इसकी विभेदन क्षमता 5,300 से अधिक रही। यह विकास SHINE में अधिक सटीक रूप से चुने गए एक्स-रे पल्स उपलब्ध कराने के प्रयास में मदद करता है। अध्ययन में एटोसेकंड तक चलने वाले पल्स की भविष्य की संभावनाओं पर भी चर्चा है। एक एटोसेकंड, एक फेम्टोसेकंड से 1,000 गुना छोटा होता है।

चरम स्थितियों के लिए 100-पेटावॉट लेज़र

SHINE में एक्सट्रीम लाइट स्टेशन बनाने की भी योजना है। इसमें मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेज़र के साथ 100 पेटावॉट क्षमता वाला अल्ट्राशॉर्ट लेज़र जोड़ा जाएगा। परियोजना के अनुसार, यह दुनिया का पहला ऐसा प्रयोग स्टेशन होगा जिसमें इस शक्ति का लेज़र और मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेज़र एक साथ होंगे।

एक पेटावॉट एक क्वाड्रिलियन वाट होता है। 100 पेटावॉट का आंकड़ा बेहद छोटे पल्स के दौरान मिलने वाली अधिकतम शक्ति बताता है। इतनी छोटी अवधि में ऊर्जा केंद्रित करने से शक्तिशाली विद्युतचुंबकीय क्षेत्र बनते हैं, जिनकी मदद से चरम स्थितियों में पदार्थ पर प्रयोग किए जा सकते हैं।

2024 के प्रगति-पत्र में इस स्टेशन के शोध लक्ष्यों में प्रबल क्षेत्र क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स को शामिल किया गया है। क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स बताता है कि प्रकाश और विद्युत आवेशित कण किस तरह परस्पर क्रिया करते हैं। अत्यंत प्रबल क्षेत्र शोधकर्ताओं को इस परस्पर क्रिया की जांच आम प्रयोगशालाओं से कहीं अधिक चरम स्थितियों में करने की अनुमति देते हैं।

इस संयुक्त संयंत्र का उद्देश्य उच्च ऊर्जा घनत्व भौतिकी में भी मदद करना है। इस क्षेत्र में कम आयतन में बड़ी मात्रा में ऊर्जा समेटे हुए पदार्थ का अध्ययन किया जाता है। एक ही प्रयोग में तीव्र ऑप्टिकल लेज़र और एक्स-रे जांच का इस्तेमाल करने से शोधकर्ता चरम स्थितियां बना सकेंगे और उनमें होने वाली प्रक्रियाओं का अध्ययन कर सकेंगे।

3 किलोमीटर से अधिक लंबी मशीन का समन्वय

SHINE लगभग 3.1 किलोमीटर तक फैला है और करीब 29 मीटर भूमिगत बनाया जा रहा है। इसके आकार को देखते हुए समय-समन्वय, उपकरण नियंत्रण और त्वरित सुरक्षा व्यवस्था, त्वरक और चुंबकों की तरह ही वैज्ञानिक उपकरण के जरूरी हिस्से हैं।

Nuclear Engineering and Technology में प्रकाशित नियंत्रण प्रणाली पर एक शोधपत्र में 10,000 तक उपकरणों को नियंत्रित करने के लिए बनी प्रणाली का विवरण है। इनमें बिजली आपूर्ति, लेज़र, निर्वात उपकरण और त्वरक परिसर में फैले अन्य घटक शामिल हैं।

यह प्रणाली उपकरण नियंत्रण को ऑपरेटर इंटरफेस, डेटा संग्रह और निगरानी से जोड़ने के लिए Experimental Physics and Industrial Control System ढांचे का इस्तेमाल करती है, जिसे EPICS कहा जाता है। White Rabbit तकनीक पर आधारित समय-निर्धारण नेटवर्क पूरी सुविधा में घड़ी के संकेत पहुंचाता है। इंजेक्टर का समय-निर्धारण तंत्र स्थापित किया जा चुका था और सफलतापूर्वक इस्तेमाल हुआ था। यह 1.003086 MHz की दर से संकेत भेजता है।

मशीन की सुरक्षा एक और चुनौतीपूर्ण काम है। डिजाइन में करीब 5,000 खराबी संकेतों की निगरानी की जाती है और उपकरणों की स्थिति के अनुसार बीम को कम करने या रोकने के लिए प्रोग्रामेबल इलेक्ट्रॉनिक्स का इस्तेमाल होता है। शोधपत्र के अनुसार, किसी स्टेशन के भीतर प्रतिक्रिया समय एक माइक्रोसेकंड से कम और स्टेशनों के बीच 30 माइक्रोसेकंड से कम है। तेज़ सुरक्षा व्यवस्था शक्तिशाली बीम के तय परिस्थितियों से बाहर जाने पर नुकसान सीमित करने में मदद करती है।

शोधपत्र जमा किए जाने के समय केवल इंजेक्टर ही परिचालन के लिए तैयार था और पूरे त्वरक की नियंत्रण प्रणाली का विकास जारी था। बाद में हुई पहली किरण की घोषणा कमीशनिंग के अगले चरण का संकेत देती है। त्वरक, विकिरण परिवहन, सुरक्षा प्रणालियों और प्रयोग स्टेशनों को एकीकृत करना नियमित वैज्ञानिक उपयोग की नियोजित शुरुआत के लिए अब भी अहम है।

SHINE कौन बना रहा है और आगे क्या होगा

निर्माण की जिम्मेदारी शंघाईटेक यूनिवर्सिटी की है। इसके दायित्वों में परियोजना योजना, इंजीनियरिंग की निगरानी, गुणवत्ता और सुरक्षा प्रबंधन तथा भविष्य में संचालन और खुली पहुंच शामिल हैं। विश्वविद्यालय नागरिक निर्माण, पांच प्रयोग स्टेशनों और बीमलाइन निर्माण के एक हिस्से के लिए भी जिम्मेदार है।

चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज का शंघाई एडवांस्ड रिसर्च इंस्टीट्यूट त्वरक, अंडुलेटर, उपयोगिता प्रणालियों और कुछ बीमलाइनों के लिए जिम्मेदार है। शंघाई इंस्टीट्यूट ऑफ ऑप्टिक्स एंड फाइन मैकेनिक्स एक्सट्रीम फोटोफिजिक्स बीमलाइन स्टेशन बना रहा है। इस बंटवारे के तहत त्वरक, प्रयोग उपकरण और भविष्य में उपयोगकर्ताओं के लिए संचालन कई संस्थानों में विभाजित हैं।

परियोजना के प्रकाशित पड़ाव भूमिगत निर्माण से लेकर बीम कमीशनिंग तक की प्रगति दिखाते हैं:

• अप्रैल 2018: शंघाई में नागरिक निर्माण शुरू हुआ।
• 2022 के अंत: SXFEL में मोनोक्रोमेटर परीक्षण ने 520 इलेक्ट्रॉनवोल्ट पर 5,300 से अधिक विभेदन क्षमता हासिल की।
• अप्रैल 2023: SHINE के इंजेक्टर की स्थापना शुरू हुई।
• 2023 के अंत: 2024 के प्रगति-पत्र के अनुसार, सभी शाफ्ट और सुरंगें पूरी हो गई थीं।
• 21 अक्टूबर की घोषणा: शंघाईटेक ने 4 GeV इलेक्ट्रॉन बीम और 18 अंडुलेटर मॉड्यूलों से पहली किरण मिलने की जानकारी दी।
• 2027 के अंत: SHINE को पूरा कर चालू करने का लक्ष्य।

निर्माण आगे बढ़ने के साथ पहले के तकनीकी कार्यक्रमों में बदलाव आया। 2023 के बीमलाइन अध्ययन में FEL-II की कमीशनिंग 2025 के वसंत में होने का अनुमान था। 2024 के प्रगति-पत्र में 2025 के अंत तक पहली लेज़र किरण को संभव, लेकिन चुनौतीपूर्ण बताया गया था और 2027 में उपयोगकर्ताओं के प्रयोग शुरू होने की उम्मीद जताई गई थी। हालिया घोषणा में परियोजना पूरा कर चालू करने का लक्ष्य 2027 के अंत तक बताया गया है।

SHINE को इस खास प्रकार की दो सुविधाओं में से एक बताया गया है, जो बार-बार आने वाले पल्सों को कठोर एक्स-रे मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेज़र क्षमता के साथ जोड़ती हैं। दूसरी सुविधा अमेरिका में निर्माणाधीन Linac Coherent Light Source II का उच्च-ऊर्जा उन्नयन है। शोधकर्ताओं के लिए शंघाई परियोजना का व्यावहारिक महत्व, कमीशनिंग पूरी होने के बाद इसकी नियोजित ऊर्जा सीमाओं, पल्स मोड और प्रयोग स्टेशनों तक पहुंच से तय होगा।

मुख्य बातें

• SHINE ने शंघाई में 4 GeV इलेक्ट्रॉन बीम और 18 अंडुलेटर मॉड्यूलों का इस्तेमाल करके पहली किरण हासिल की है।
• पूर्ण त्वरक को 8 GeV तक पहुंचने के लिए डिजाइन किया गया है, जो इस उपलब्धि में इस्तेमाल इलेक्ट्रॉन ऊर्जा का दोगुना है।
• पहली दो लाइनों में 0.2 से 15 keV तक की ऊर्जा सीमा रहने की उम्मीद है; तीनों लाइनों की व्यापक आधारभूत सीमा 25 keV तक जाती है।
• कुछ परिचालन मोड का लक्ष्य प्रति सेकंड 10 लाख एक्स-रे पल्स देना है। पल्स कुछ दसियों फेम्टोसेकंड तक चलेंगे।
• पहले चरण में 10 प्रयोग स्टेशन बनाने की योजना है। इनमें एक्स-रे को 100-पेटावॉट लेज़र के साथ जोड़ने वाला स्टेशन भी शामिल है।
• शंघाईटेक यूनिवर्सिटी परियोजना का नेतृत्व कर रही है। इसे पूरा कर चालू करने का लक्ष्य 2027 के अंत तक है।