地下での映画撮影

スイスは、地下工学の伝統があり、19世紀に建設されたゴッタルドトンネルは、世界的に有名です。この国の最新ハイテクトンネルのひとつが、パウル・シェラー研究所（PSI）のスイス自由電子レーザー（SwissFEL）で、全長740mのトンネル内で超短パルスX線を発生させます。これは、世界中の科学者が、原子や分子の光学的プロセスを前例のない時間分解能で調査するための新しいツールであり、SwissFELのX線は非常に明るいだけでなく、レーザーのような性質も持っているため、分子や量子物質に関する全く新しい実験が可能になります。

PSIの科学者たちは、まるで映画監督のように、X線を使って物質中の最速プロセスを可視化し、世の中に送り出したいと考えているのです。例えば、クロロフィルの光吸収はわずか数フェムト秒のタイムスケールで起こるが、これは民生用テレビの画像繰り返し速度の約10兆倍です。このような高速の現象を見るためには、長さ740mのSwissFELの管内で小さな電子の束を加速し、非常に短いX線パルスを発生させなければなりません。真空管は10-9mbar以下の超高真空に保たれており、周囲の空気分子に邪魔されることなく電子が自由に動き回れるようになっています。X線パルスを発生させるためには、電子の移動経路が重要な鍵を握るため、常に真空状態を維持する必要があり、高速電子になると、磁石によって波のような軌道を描くように誘導されます。この曲線運動がX線放射の原因であり、X線ビームの前方への指向性がレーザーの自己増幅効果を生み出すのです。

科学者にとってX線パルスは映画監督にとっての光のようなもので、実験者が実験という形でカメラを設置したエンドステーションに導かれます。マローヤにある最新のエンドステーションは、スイスFELのアトスビームラインの軟X線スペクトルを利用して、制御された操作後の単一原子、分子、量子物質の化学構造および電子構造の変化をリアルタイムで見ることができます。また、実験を成功させるために、SwissFELからのビームを試料や他のレーザービームと正確に位置合わせすることが重要であるため、この作業は非常に面倒で時間を要するものですが、他のSwissFELユーザーから独立して行う必要があります。そのため、各実験用真空チャンバーは、他のSwissFELの真空環境から分離可能である必要があるのです。

お客様のニーズに合わせてカスタマイズされたVAT製バルブ

一般的な解決策は、SwissFELの超高真空部分からエンドステーションを分離するセグメントバルブを導入することです。しかし、市販されている標準的なバルブでは、マローヤにあるSwissFELの新しいエンドステーションが要求する最大3種類のビームアライメントを通過させることはできません。

VAT 社は PSI と長期にわたるのパートナーであり、SwissFEL プロジェクトには UHV グレードの高品質コンポーネントをいくつか供給しています。01.0 & 10.8 シリーズのゲートバルブから、54.0 の全金属製アングルバルブ、59.0 タイプの精密吐出バルブに至るまで、幅広いコンポーネントを供給しています。「SwissFELのような高度な科学環境における超高真空アプリケーションでは、通常VAT社はプロジェクトに不可欠な要素です。超高真空バルブに関して、私たちは独自の製品カタログを提供しています。」とVATセールスマネジャーであるAndreas Dostmann氏は説明します。

さらに、Dostmann氏は「しかし、スイス連邦原子核研究所の科学者から、決められた角度で3つのアライメントを持つゲートバルブ窓についての相談を受けたとき、これは既製品ではないことがわかりました。そこで、マローヤのエンドステーション用に特別に設計してもらうことにしたのです。」と加えました。PSIと技術的な要件について簡単に技術交換を行った後、ゲートバルブを設計し、レーザーの透過を妨げないよう適切な窓材を選び、組み立てられたゲートバルブをマローヤにあるエンドステーションに納入して設置しました。

進歩に向けた野心の共有

新しいアライメントゲートバルブは2020年半ばにSwissFELに納入され、マローヤにあるエンドステーションは同年中にその機能を証明しています。また、2022年からは、世界中の科学者が実験用カメラを設置し、新しい材料特性を探索するために開放されています。調整後、SwissFELのゲートを開くと、研究者は超短パルスX線の魅力的な特性を瞬時に利用でき、綿密に準備された実験が進行している様子を確認することができるのです。

Andreas Dostmann氏は、「このような技術的な問題を迅速に解決するノウハウが社内にあることは知っています。しかしながら、それ以上に重要なことは、私たちの会社には常にカスタマイズされたソリューションによって技術進歩に貢献したいという野心があることです。そして、お客様一人ひとりのためにエンジニアリングの時間を惜しまず、1つの完璧な解決策を見つけ出します。」と述べたように、ポール・シェラー研究所が1桁の顧客番号を持つ、VATの最も古い顧客の1つである理由の1つは、このためなのです。

SwissFELのトンネルにおけるデザインは、アルプスを貫くゴッタルドを連想させますが、終点はアルプスの頂上を越えるスイスの峠にちなんでいます。科学者たちは、この施設の時間分解能をフェムト秒からアト秒領域まで、1000倍速くすることを目標に掲げており、マローヤ峠の蛇のように、交代で頂上を目指すことになりますが、VAT社もできる限り協力していきます。

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