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.

Synchrotron SOLARIS to akcelerator elektronów oraz nowoczesne urządzenie badawcze generujące promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim zakresie od podczerwieni do promieniowania rentgenowskiego. Synchrotron przyspiesza wiązkę elektronów do energii 1,5 GeV, umożliwiając, z zastosowaniem undulatora, otrzymanie promieniowania synchrotronowego o energii fotonu z zakresu miękkiego promieniowania rentgenowskiego (linia PEEM/XAS, do 2000 eV) lub dalekiego ultrafioletu (linia UARPES, 8 - 100 eV). Przeznaczone jest do badań w wielu dziedzinach nauki, m.in. w biologii, fizyce, chemii, medycynie, archeologii, historii sztuki.

Budynek, w którym znajduje się synchrotron, zlokalizowany jest na terenie Kampusu 600-lecia Odnowienia Uniwersytetu Jagiellońskiego. Sąsiaduje on z podstrefą specjalnej strefy ekonomicznej zarządzanej przez Krakowski Park Technologiczny.

Nazwa synchrotronu SOLARIS pochodzi od powieści Stanisława Lema, który mieszkał i pracował w Krakowie.

Historia

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.. 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. 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 oraz komór próżniowych. W czerwcu 2015 r. zespół fizyków z SOLARIS wprowadził wiązkę elektronów do pierścienia synchrotronu i zobaczył pierwsze światło przy wyjściu do linii badawczych. We wrześniu 2015 r. odbyło się uroczyste otwarcie Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS.

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.

Budowa i działanie

Synchrotron jest akceleratorem elektronów, jego głównymi częściami są akcelerator liniowy i pierścień akumulacyjny.

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.

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. Uzyskane promieniowanie jest przesyłane do urządzeń określanych jako linie badawcze.

Parametry pierścienia akumulacyjnego SOLARIS

Ważniejsze parametry pierścienia akumulacyjnego SOLARIS:

• Obwód pierścienia: 96 m
• Energia elektronów: 1,5 GeV
• Prąd: 500 mA
• Główna częstotliwość: 99,91 MHz
• Maksymalna liczba paczek elektronowych: 32
• Emitancja horyzontalna (bez UW): 6 nm rad
• Sprzężenie: 1%
• Dostrojenie Q_x, Q_y: 11,22; 3,15
• Naturalna chromatyczność ξ_x, ξ_y: -22,96, -17,14
• Skorygowana chromatyczność ξ_x, ξ_y: +1, +1
• Rozmiar wiązki (centrum sekcji prostej) σ_x, σ_y: 184 μm, 13 μm
• Rozmiar wiązki (centrum dipola) σ_x, σ_y: 44 μm, 30 μm
• Liczba sekcji prostych dla urządeń: 10
• Liczba sekcji prostych technicznych: 2
• Kompakcja pędu: 3,055 x 10^-3
• Całkowity czas życia elektronów: 13 h.

Linie badawcze synchrotronu SOLARIS

Synchrotron SOLARIS rozpoczął funkcjonowanie z dwiema liniami badawczymi, w roku 2022 jest już 5 działających linii:

• 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.

• 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.
• 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.
• 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.
• 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.

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. Dla użytkowników synchrotronu powstał specjalny portal DUO (Digital User Office), przez który mogą składać wnioski o czas badawczy. Możliwe są także badania komercyjne.

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Strona internetowa Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego Solaris
• Strona internetowa Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego
• Karolina Głowacka, Marek Stankiewicz i Adriana Wawrzyniak, Synchrotron Solaris – potężne narzędzie polskiej nauki, kanał „Radio Naukowe” na YouTube, 2 marca 2023 [dostęp 2023-09-21].