2015-07-21.
Synchrotron to takie urządzenie, w którym elektrony są rozpędzane do prędkości prawie świetlnej (stają się wtedy dość ciężkie, dlatego potrzeba do tego sporo energii) i utrzymywane na orbitach o promieniu od kilkudziesięciu do kilku tysięcy metrów. Synchrotrony mogą być używane do produkcji cząstek elementarnych (tak jak w CERN pod Genewą), lub do otrzymywania promieniowania elektromagnetycznego.
W przypadku tych drugich (o nich tylko piszę poniżej), specjalne magnesy powodują zmiany kierunku elektronów po to, aby zmusić je do wypromieniowywania fal elektromagnetycznych o najrozmaitszych długościach: rentgenowskich, ultrafioletowych, widzialnych, a nawet podczerwonych. Fal takich używa się do pomiaru położeń atomów w kryształach, elektronów wokół atomów, do badania własności elektrycznych i optycznych, czy do modyfikacji własności różnych materiałów.
Synchrotrony takie są w USA, Japonii, Rosji, Korei Płd., Francji (Grenoble), Niemczech (Hamburg, Karlsruhe), Anglii (Daresbury), we Włoszech (Trieste), a nawet w Szwecji (Lund). Od niedawna mamy także synchrotron w Polsce (http://www.synchrotron.uj.edu.pl/) zbudowany w Krakowie w dużej mierze z Europejskich Funduszy Strukturalnych.
Synchrotron nazywa się Solaris, co jest jakąś głupotą, bo chcemy, żeby ta nazwa kojarzyła się każdemu na świecie z naszą eksportową marką autobusów. Nie wyobrażam sobie, żeby Szwedzi nazwali swój synchrotron „Volvo”, albo Niemcy „Mercedes”. Chyba, żeby te firmy znacząco partycypowały w kosztach.
Bardzo wiele osób w Polsce cieszy się z faktu uruchomienia naszego synchrotronu (także sam Bogdan Miś!!!). Jedni się cieszą ze względu na prestiż, że dołączyliśmy do szacownego grona posiadaczy synchrotronów. Drudzy mają nadzieję, że synchrotron przyczyni się do tworzenia nowych technologii, do powiększenia naszej wiedzy, a nawet do uzyskania Nagrody Nobla z fizyki, chemii, czy biologii.
Personalnie, mam do synchrotronów dość ciepłe uczucia – w roku 1992 pracowałem rok przy budowie linii pomiarowej na synchrotronie w Trieście, w 1996 roku usiłowałem przez pół roku coś zmierzyć na synchrotronie w Grenoble, a ostatnio zbudowałem unikatowy układ pomiarowy na synchrotronie w Karlsruhe. Moje próbki były badane na niemal wszystkich synchrotronach świata.
Pamiętam jednak, jak przed kilkunastu laty w Polskim Towarzystwie Synchrotronowym odbyło się głosowanie, kto jest za podjęciem starań za budową polskiego synchrotronu. Na około 100 Osób dwie były przeciw: ś.p. profesor Gronkowski (wspaniały człowiek i wspaniały fizyk) i ja, osoba mniej wspaniała.
Dlaczego byłem i jestem przeciw polskiemu synchrotronowi?
Przede wszystkim dlatego, że kosztuje koszmarnie dużo. Na stronie internetowej można wyczytać, że instalacja kosztowała 200 mln zł. Porównując do innych synchrotronów, to 10-100 razy mniej, ale może szwedzcy konstruktorzy (bo to oni byli naszymi kolaborantami) potrafili w jakiś cudowny sposób obniżyć koszty. Problem jednak w tym, że te 200 mln zł to dopiero początek. Synchrotron zacznie być użyteczny, jeżeli zbuduje się kilkanaście linii pomiarowych, bo z faktu, że elektrony krążą wokoło z prędkością podświetlną jeszcze niewiele wynika. Każda taka linia to 50-100 mln zł. Dodatkowo, użytkowanie synchrotronu kosztuje ładnych kilkadziesiąt milionów rocznie. Pytanie, czy w Polsce te pieniądze się znajdą, a jeżeli tak, to czy może nie lepiej je wydać na coś innego.
Moje podstawowe zastrzeżenie do synchrotronów wynika ze sposobu ich funkcjonowania, który wygląda następująco:
Synchrotron składa się z części, gdzie latają elektrony (storage ring), i ze stacji pomiarowych wokół tego ringu. Jest on obsługiwany przez kilkunastu inżynierów i techników, a każda stacja ma 2-3 naukowców, którzy są odpowiedzialni za jej funkcjonowanie. Jeżeli teraz ktokolwiek z zewnątrz chce coś zmierzyć na takiej stacji, pisze wniosek (aplikację), który po 2-3 miesiącach uzyskuje akceptację (albo nie) i odpowiedni czas pomiarowy (na przykład, jeden dzień, albo tydzień).
Tego rodzaju organizacja badań powoduje we mnie wzrost ciśnienia i cholesterolu (tego złego), bo uważam, że badania to pewien ciągły proces, i nie można czekać kilku miesięcy na zmierzenie czegoś ważnego. Jeżeli wyprodukowaliśmy nową próbkę, to musimy mieć informację o niej w ciągu kilku dni, a nie miesięcy. Bez takiej informacji nie można produkować następnej próbki. Ograniczenie czasowe to następny absurd. Na ogół jest tak, że jeżeli zaczyna się coś badać, to z tych badań wynika potrzeba zrobienia jeszcze innego rodzaju badań. Przykładowo, jeżeli zmierzymy na synchrotronie, że próbka InGaN ma defekty, to trzeba wyhodować ją w nieco innych warunkach i sprawdzić, czy defekty dalej występują. Niestety, czas nasz na synchrotronie minął, a czekanie półroczne na następny pomiar to absurd.
Największa zaleta synchrotronów to bardzo duża intensywność promieniowania. Na przykład, pomiar za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej można zrobić w 10 sekund na synchrotronie, podczas gdy za pomocą dyfraktometru laboratoryjnego trwa to pół godziny. Problem w tym, że ustawienie próbki przed pomiarem często trwa tyle samo na synchrotronie i w laboratorium, na przykład, 3 godziny. Biorąc pod uwagę konieczność dojechania do synchrotronu (nie mówiąc o kosztach urządzenia!) zysk czasowy jest iluzoryczny.
Oczywiście, są badania, które trzeba wykonać błyskawicznie. Na przykład, jak jakiś materiał się rozpada w ciągu 20 sekund, to nie można robić pomiaru przez pół godziny. Problem jednak w tym, że większość nietrwałych materiałów degeneruje się także pod wpływem silnej wiązki promieniowania synchrotronowego, którą trzeba osłabić, tracąc jej podstawowa zaletę.
Moja prywatna ocena badań na synchrotronach jest taka, że 80-90% z nich można wykonać w warunkach laboratoryjnych znacznie mniejszym kosztem.
Pytanie, czy dla tych pozostałych 10-20% nie warto jednak mieć polskiego synchrotronu? Uważam, że nie, bo nasz synchrotron w porównaniu do synchrotronu ESRF w Grenoble będzie się tak miał, jak Fiat 500 do Mercedesa Maybacha S600 (podobny stosunek ceny). Jak ktoś musi, to jeździ Fiatem500, ale byłoby to czystym absurdem w systuacji, gdyby za wypożyczenie Maybacha nie tylko nie trzeba byłoby płacić, ale jeszcze by ktoś wypożyczającemu dopłacał.
A tak właśnie jest w przypadku ESRF i innych synchrotronów europejskich. Naukowiec, którego aplikacja zostaje zaakceptowana, nic nie musi płacić, a wręcz przeciwnie: dostaje diety na życie i hotel, oraz stanowisko pracy, które jest o kilka klas lepsze, niż to, które będzie na polskim synchrotronie. Dla wyjaśnienia: oczywiście, nie ma darmowych lunchów i na funkcjonowanie ESRF składają się wszystkie kraje UE, w tym Polska. W każdym razie, jeżeli ja kiedyś będę miał potrzebę zmierzenia czegoś na synchrotronie, to aplikację zacznę od ESRF, a do Krakowa będę wnioskował, jeżeli gdzie indziej się nie uda. A nie uda się najprawdopodobniej wtedy, kiedy mój pomysł będzie mało interesujący! Dieta delegacyjna na polskim synchrotronie też będzie malutka w porównaniu z francuską!
Jednak 200 mln zł zostało wydane, wielki wysiłek wielu osób został dokonany, i co teraz? Czy gdybym był Ministrem Nauki zdecydowałbym się na zamknięcie synchrotronu? Chyba nie. Doprowadziłbym jednak do tego, że nasz polski synchrotron nie funkcjonowałby na zasadach wszystkich innych synchrotronów (aplikacje ze wszystkich dziedzin nauki, kilkumiesięczne oczekiwanie, przydzielane limity czasowe badań). W zamian zastanowiłbym się wraz ze środowiskiem polskiej nauki, czy synchrotron nie mógłby się stać ważnym elementem wybranej polskiej technologii (grafenu, azotku galu, czy perowskitów, a może zupełnie czegoś innego), czy wybranej tematyki badawczej (na przykład z dziedziny spintroniki), która może osiągnąć w Polsce poziom Nagrody Nobla. Wtedy warto wydawać kolejne setki milionów złotych.
Polski synchrotron to kolejny przykład braku polityki naukowej z prawdziwego zdarzenia. Dotyczy to nie tylko Polski, ale i Zjednoczonej Europy. Ale to temat na inną notkę…
Michał Leszczyński
Tak a’propos Solarisa. Nie sądzę, aby intencją było kojarzenie nazwy synchrotronu z marką skąd inąd bardzo dobrego autobusu polskiej produkcji. Osobiście podążyłbym raczej taką oto ścieżką skojarzeń: Kraków – Stanisław Lem – „Solaris”.
🙂
Pozdrawiam
stosunkowo duży udział w prowadzonych na synchrotronach badaniach mają także firmy, np. farmaceutyczne, wtedy płacąc za czas pomiarowy, a propos nazwy przypomniała mi się historia zasłyszana kiedyś przypadkiem od amerykańskiego fizyka, Teda Geballe (zdaje się, że na Stanfordzie jest obecnie instytut jego imienia, wiele wspólnego mający także z technikami synchrotronowymi) – kiedy się przedstawiał na przyjęciach słyszał, to ten facet który jest zięciem szefa fabryki jeansów, i nie oznacza to oczywiście, żeby ktokolwiek z nas miał coś przeciw dobrym jeansom, choć o Lemie już pisać nie muszę. Jeżeli doktoranci np. Jagiellonki i AGH będą uczestniczyli w budowie i utrzymaniu stacji pomiarowych, a najprawdopodobniej tak właśnie jest, to przecież będzie wspaniałe, teraz warto znaleźć pieniądze na FELka.
Firmy farmaceutyczne też będą wolały ESRF. polski przemysł jest daleko od używania synchrotronu…
nie od razu Kraków zbudowano, zdaje sobie sprawę z różnic (moje próbki także kiedyś wędrowały i na APS i na ESRF) tym bardziej, że w Europie i synchrotrony i lasery na wolnych elekronach są przecież w wielu krajach, jednak sadzę, że jest to dobra droga na wychodzenie z tzw. pułapki średniego rozwoju, natomiast w nauce aplikowanie o tzw. czas na wiązce to przecież jedna sprawa natomiast budowanie stacji pomiarowych daje dopiero możliwości rozwoju specjalizacji w wielu technikach eksperymentalnych, a więc także polskim uczelniom – na większości synchrotronów uniwersytety mają przecież swoje stacje.
Robisz próbkę. Potrzebujesz analizy, np., APS. Kosztuje to 1000 zł. Robisz? Oczywiście. Kosztuje 10 000 zł. Robisz? Zastanawiasz się, ale może tak. Kosztuje 100 000 zł. Robisz? Oczywiście, że nie. Problem w tym, że kosztuje ten APS na synchrotronie 1 000 000 zł, tylko Ty o tym nie wiesz, a płaci durny Podatnik.
oczywiście, że jeżeli jakieś spektroskopie można robić bez wykorzystywania źródeł synchrotronowych nie należałoby takich eksperymentów w ogóle tam rozważać, możliwe, że praktyka jest inna, ja wskazywałem jedynie na pewną drogę możliwego rozwoju, która może stać się atrakcyjna np. dla polskiej farmacji.
dla nie zorientowanego w technikach synchrotronowych czytelnika warto jednak jeszcze dodać, że właśnie możliwość wykorzystania promieniowania synchrotronowego wyznaczyła w zasadzie nowe jakościowo możliwości dla wielu spektroskopii, np. ARPESu – ważnej techniki w badaniach struktury elektronowej; zakres dostępnych energii, parametry wiązki, wszystko to ma podstawowe znaczenie i dopiero określi zakres możliwych zastosowań.
@PK
Ale daj mi jeden powód pomiaru APRESem na Solarisie, a nie w ESRFie.
rzecz pewnie przede wszystkim byłaby w parametrach technicznych, stacja na Solarisie opisana jest w necie pod nazwą UARPES z energią wiązki od 8 eV – ultra angle resolved, rozdzielczość kątowa w przestrzeni pędów skaluje się zdaje się odwrotnie proporcjonalnie do energii wzbudzenia, 8 eV wygląda dość nisko, np. w Stanfordzie o który zahaczyłem w komentarzu powyżej pracują na LARPESie – wzbudzenie laserem, właśnie aby zwiększyć rozdzielczość w niskich k, chwalą się na swoich stronach, że mają kryształ pozwalalający na wzbudzenie laserowe 7 eV, poza tym pracując w niskich energiach masz większą drogę swobodną fotoelektronów, a więc odchodzisz od wyłącznie powierzchni. Być może na ESRFie są także konkurencyjni ale wygląda na to, że Jagiellonka buduje ciekawą aparaturę.