XFEL. XFEL, European X-Ray Free Electron Laser XFEL. Paolo Pierini, per il gruppo LASA/XFEL. X-Ray Free-Electron Laser

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1 XFEL, European X-Ray Free Electron Laser Paolo Pierini, per il gruppo LASA/XFEL XFEL X-Ray Free-Electron Laser

2 X-Ray Laser Project XFEL X-Ray Free-Electron Laser La frontiera delle alte energie e la tecnologia SC i dipoli superconduttivi LHC = 38 ILC Stringa di dipoli LHC cavità superconduttive a RF ACC 4 & ACC 5 in TTF = 38 Stringa di cavità ILC 2

3 La missione della Collaborazione TESLA XFEL 1992 Gradiente accelerante x 5 (limite fisico Nb a ~ 50 MV/m) Riduzione costo per MV al fascio ~ 20 (Efficienza/Industrializzazione) 3

4 DESY 4

5 DESY primo design e catodi tutti i moduli 40% cavità ~15% contributo Italiano all acceleratore TTF 5

6 I risultati ottenuti con TTF (poi FLASH) XFEL 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 6

7 I successi di TTF/FLASH (primo CDR 1995)

8 Il lungo percorso verso XFEL TESLA The Superconducting Electron- Positron Linear Collider with an Integrated X-Ray Laser Laboratory Technical Design Report TESLA XFEL First Stage of the X-Ray Laser Laboratory Technical Design Report Supplement March 2001 October collisore lineare TESLA&XFEL 2002 XFEL Supplement 2006 XFEL Final TDR 1997 primo fascio in TTF 2000 operazione TTF-FEL ( nm) 2005 operazione TTF (VUV-FEL) 30 nm nm in saturazione tanti utenti felici! 2007 estensione a 1 GeV, raggiunti 6 nm 2003 Germania raccomanda XFEL 2004 Fase preparatoria MoU tra partner europei 2006 Progetto dettagliato, ESFRI! 2007 June 5, Approvazione del progetto 2009 Febbraio: fondazione della società EUROPEAN XFEL 8

9 Il lungo percorso verso XFEL TESLA The Superconducting Electron- Positron Linear Collider with an Integrated X-Ray Laser Laboratory Technical Design Report TESLA XFEL First Stage of the X-Ray Laser Laboratory Technical Design Report Supplement March 2001 October collisore lineare TESLA&XFEL 2002 XFEL Supplement 2006 XFEL Final TDR 1997 primo fascio in TTF 2000 operazione TTF-FEL ( nm) 2005 operazione TTF (VUV-FEL) 30 nm nm in saturazione tanti utenti felici! 2007 estensione a 1 GeV, raggiunti 6 nm 2003 Germania raccomanda XFEL 2004 Fase preparatoria MoU tra partner europei 2006 Progetto dettagliato, ESFRI! 2007 June 5, Approvazione del progetto 2009 Febbraio: fondazione della società EUROPEAN XFEL 9

10 5 giugno 2007 Partenza di XFEL 10

11 Proprietà della radiazione XFEL Radiazione FEL X ( kev) impulsi ultracorti <100 fs (rms) elevate intensità ph radiazione coerente x10 9 brillanza media x10 4 Radiazione spontanea ( kev) impulsi ultracorti <100 fs (rms) elevata brillanza 8-9 ordini di grandezza spontaneous radiation Sorgenti di 3 generazione 11

12 Proprietà della radiazione XFEL Radiazione FEL X ( kev) impulsi ultracorti <100 fs (rms) elevate intensità ph radiazione coerente x10 9 brillanza media x10 4 Radiazione spontanea ( kev) impulsi ultracorti <100 fs (rms) elevata brillanza 8-9 ordini di grandezza spontaneous radiation Intensità Impulsi ultra-corti Sorgenti di 3 generazione 12

13 Intensità FEL: lo sviluppo della coerenza XFEL Modulazione del fascio di elettroni (processo collettivo) All ingresso inizio della modulazione piena saturazione Simulazione GENESIS di TTF Sven Reiche (UCLA) 13

14 Intensità FEL: lo sviluppo della coerenza XFEL Modulazione del fascio di elettroni (processo collettivo) Il super tandem : si muovono tutti in fase All ingresso inizio della modulazione piena saturazione Simulazione GENESIS di TTF Sven Reiche (UCLA) 14

15 Impulsi ultra-corti: la scala spaziale In un secondo la luce viaggia dalla terra alla luna In 100 femtosecondi, la luce attraversa una distanza di 30 micron Capello umano 30 µm Molti processi fondamentali in natura si svolgono su queste scale di tempi ultra-corte 15

16 Il ruolo di FLASH 16

17 Il ruolo di FLASH FLASH: il rompighiaccio per gli XFEL 17

18 Il cosmo in laboratorio temperature [ C] Esempio: Fe 23+ Spettroscopia di stati di eccitazione presenti solo nelle stelle 18

19 La prospettiva aperta dai microscopi XFEL Film o ologrammi in tempo reale del moto di atomi, molecole ed elettroni nella scala temporale dei fenomeni naturali 19

20 La prospettiva aperta dai microscopi XFEL Film o ologrammi in tempo reale del moto di atomi, molecole ed elettroni nella scala temporale dei fenomeni naturali Ribosoma 20

21 Immagini a singolo impulso fotoni in un impulso di durata ~10 femtosecondi I campioni si scaldano fino a K ed evaporano 1 impulso 2 impulso Obiettivo: Scattare la foto prima della distruzione del campione! H. Chapman, J. Hajdu et al. Impulso FEL a FLASH: 30 fs, 32 nm, 3 x W/cm 2 21

22 European XFEL Realizzazione in due fasi Risoluzione atomica in scala temporale e spaziale Inizio progetto: 5 giugno

23 European XFEL Realizzazione in due fasi Risoluzione atomica in scala temporale e spaziale 270 authors from 69 institutions in Europe (57) America (10) Asia (2) Inizio progetto: 5 giugno

24 XFEL, ad Amburgo 3.4km 24

25 La hall sperimentale e le linee XFEL XFEL DESY 25

26 dopo la costruzione (simulazione al computer) XFEL La fase 1 del progetto DESY 26

27 Preparazione ai tunnel 27

28 Tunnel mockup: Prova delle procedure di installazione 28

29 : Nuove infrastrutture necessarie XFEL 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 29

30 Sistemi di produzione fotoni nel TDR ~1000 m XFEL electrons 17.5 GeV 10.0 GeV SASE 2 tunable, planar nm SASE 1 planar 0.1 nm U 1 5 Ondulatori 5 stazioni di diagnostica fotoi 5 Linee di fascio FEL 10 Strumenti 3 Rivelatori (2D-area) U 2 SASE 3 tunable, helical nm nm e - e - Experiments 30

31 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 electrons 17.5 GeV SASE 2 tunable, planar ~0.15 Š 0.4 nm SASE 1 planar 0.1 nm SASE 3 tunable, planar 0.4 Š 1.6 nm 1.2 Š 4.9 nm (10 GeV) e - e - Experiments Experiments 31

32 Selezione dei primi esperimenti Hard X-rays Soft X-rays Instrument SPB MID FDE HED SQS SCS Brief description of the instrument Ultrafast Coherent Diffraction Imaging of Single Particles, Clusters, and Biomolecules Structure determination of single particles: atomic clusters, bio-molecules, virus particles, cells. Materials Imaging & Dynamics Structure determination of nano- devices and dynamics at the nanoscale. Femtosecond Diffraction Experiments Time-resolved investigations of the dynamics of solids, liquids, gases High Energy Density Matter Investigation of matter under extreme conditions using hard x-rays, e.g. probing dense plasmas. Small Quantum Systems Investigation of atoms, ions, molecules and clusters in intense fields and non-linear phenomena. Soft x-ray Coherent Scattering Structure and dynamics of nano-systems and of non-reproducible biological objects using soft X-rays. 32

33 La preparazione del progetto internazionale XFEL 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 CH CN DE DK ES FR GB GR HU IT PL RU SE - European Project Team (Leader: Massimo Altarelli) WG on Scientific and Technical issues STI (chair: F. Sette, ESRF) WG on Administrative and Funding issues AFI (chair: H.F. Wagner, Germany) 33

34 La struttura del progetto Work Package Groups Work Package 34

35 L Accelerator Consortium: Responsabilità XFEL WP 01: Power RF WP 02: LLRF WP 03: Module WP 04: Cavities WP 05: Coupler WP 06: HOM WP 07: Tuner WP 08: Cold Vacuum WP 09: String Assembly WP 11: Cold Magnets WP 46: 3.9 GHz DESY & RU DESY & Lodz CEA & DESY & INFN DESY & INFN DESY & LAL DESY & Swierk DESY & INFN DESY & BINP CEA & DESY CIEMAT & DESY DESY & INFN 35

36 Stima dei contributi In-kind Stato preliminare numeri finali alla fine delle negoziazioni Contributions to accelerator consortium (preliminary!) CH CN DE DK 3.8% 13.4% 0.4% 8.0% 1.8% 0.8% ES FR IT 6.1% 6.8% 0.7% 0.1% 58.1% PL RU SE open 36

37 La XFEL Company A inizio 2009 sarà costituita una società di diritto privato, la European XFEL GmbH, con azionisti gli istituti (le nazioni) dei paesi partecipanti. La costruzione e la gestione dell XFEL saranno affidati alla XFEL Company 37

38 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 Inkind Finalizzazione dei testi legali e del contratto tra XFEL e DESY (coordinatore) 38

39 Nella fase 1 sono stati raccolti > 1 B XFEL 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 39

40 Documenti legali ultimati al ! XFEL 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 40

41 Stato del processo in Italia?

42 Stato del processo in Italia?