Nye prototyper til superledende undulators viser løfte om mere kraftfulde, alsidige røntgenstråler

Forskere ved U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Argonne National Laboratory har samarbejdet om at designe, bygge og teste to enheder, der anvender forskellige superledende materialer og kunne gøre røntgenlasere mere kraftfulde, alsidig, kompakt og holdbar.

Disse prototype -enheder, kaldes superledende undulatorer (SCU'er), succesfuldt produceret stærkere magnetfelter end konventionelle permanente magnetiske undulatorer af samme størrelse. Disse felter, på tur, kan producere laserlys med højere energi for at åbne op for en bredere vifte af eksperimenter.

Flere store røntgenlasere er i gang rundt om i verden for at give forskere mulighed for at undersøge materiens egenskaber på stadig mindre og hurtigere skalaer, og superledende undulatorer betragtes som blandt de mest muliggørende teknologier for den næste generation af disse og andre typer lyskilder.

Sådanne lyskilder er effektive værktøjer til at studere den mikroskopiske struktur og andre egenskaber ved prøver, såsom proteiner, der er nøglen til lægemiddeldesign, eksotiske materialer, der er relevante for elektronik og energianvendelser, og kemi, der er central for industrielle processer som brændstofproduktion.

Den seneste udviklingsindsats blev motiveret af SLAC National Accelerator Laboratory's opgradering af sin Linac Coherent Light Source (LCLS), som er landets eneste røntgenfri-elektron-laser (FEL). Det nye projekt, nu i gang, er kendt som LCLS-II.

Røntgen-FEL'er bruger nu permanente magnetiske undulatorer til at producere røntgenlys ved at vrikke med højenergi-bundter af elektroner i skiftevis magnetiske felter produceret af en sekvens af permanente magneter.

Men for første gang, Argonne-forskere har demonstreret, at en superledende undulator kunne bruges som en frielektronlaserforstærker til nutidens røntgenfel.

Teamet ved Department of Energy's Advanced Photon Source (APS) i Argonne byggede og testede med succes en 1,5 meter lang prototype SCU-magnet designet til at opfylde FEL-bølgebehov. Denne SCU anvender niobium-titanium superledende ledning til at vikle sine magnetiske spoler.

Denne betydningsfulde præstation kunne bane vejen til at udvide røntgenenergiområdet ved eksisterende lyskilder uden at øge elektronstråleenergien. Dette er et vigtigt punkt, fordi byggeomkostningerne til lette faciliteter hovedsageligt defineres af elektronstrålens energi, sagde Efim Gluskin, en fremtrædende medarbejder i Argonne og en fysiker og midlertidig gruppeleder for Magnetic Devices Group i APS's Accelerator Systems Division.

Gluskin sagde, at den niobium-titanium-baserede SCU er designet til at opfylde alle udfordrende tekniske krav, der gælder for røntgen-FEL-bølgeren, herunder høj præcision feltkvalitet og konsistens langs magneten. Faktisk, det er blevet eksperimentelt bevist, at denne enhed har opfyldt alle disse krav. APS SCU-teamet har brugt egenudviklede kryogene systemer og magnetiske måleteknikker til at validere SCU-ydelsen.

"Hovedudfordringen er at opretholde den konsekvente wiggle -bevægelse af elektroner inde i en SCU, sagde Gluskin, tilføjer, at rækkevidden af ​​accepteret afvigelse fra strålebevægelsens lige linje over flere meters afstand kun er et par mikron. Til sammenligning, et gennemsnitligt menneskehår er 100 mikron bredt.

"Det fører til meget strenge krav til kvaliteten af ​​det magnetiske felt, der genereres af SCU -magneter, "Sagde Gluskin.

SLAC's Paul Emma, acceleratorens fysikleder for LCLS-II-opgraderingsprojektet koordinerede den superledende undulator-udviklingsindsats.

"Med superledende undulatorer, "Sagde Emma, "du sænker ikke nødvendigvis omkostningerne, men du får bedre ydeevne for det samme stykke bølger."

En superledende undulator, der i længden svarer til en permanent magnetisk undulator, kunne producere lys, der er mindst to til tre gange og måske op til 10 gange mere kraftfuldt, og kunne også få adgang til et bredere område i røntgenbølgelængder, Sagde Emma. Dette giver en mere effektiv FEL.

Superledende undulatorer har ingen makroskopiske bevægelige dele, så de kunne tænkes hurtigere med høj præcision. Superledere er også langt mindre tilbøjelige til at blive beskadiget af højintensiv stråling end materialer med permanent magnet, et betydeligt problem i højeffektacceleratorer som dem, der vil blive installeret til LCLS-II.

Der ser ud til at være en klar vej frem til udvikling af superledende undulatorer til opgradering af eksisterende og nye røntgenfri-elektronlasere, Emma sagde, og til andre typer lyskilder.

"Superledende undulatorer vil være den teknologi, vi går til i sidste ende, om det er i de næste 10 eller 20 år, "sagde han." De er kraftige nok til at producere det lys, vi får brug for - jeg tror, ​​det kommer til at ske. Folk ved, at det er et stort nok skridt, og vi skal komme dertil. "

I dette tilfælde, APS-teamet udviklede teknologien til SCU-konstruktion til at levere en klar-til-gå-enhed lige fra samlebænken.

"SCU -teamet fandt unikke løsninger til at gøre denne undulator -ydeevne inden for strenge specifikationer for LCLS -undulatorsystemet, "sagde Yury Ivanyushenkov, en fysiker med Argonne Accelerator Systems Division. "I årenes løb, SCU-teamet har sammensat et robust sæt teknologiske trin og processer til at designe og bygge state-of-the-art superledende undulatorer, der med succes fungerer på APS. Dette projekts succes er det direkte resultat af de systemer og faciliteter, der findes på APS. "

Geoffrey Pile, Associeret divisionsdirektør for APS Engineering Support Division i Argonne og tidligere direktør for APS LCLS-I undulator-projektet, sagde, at APS har en lang historie og ekspertise med at designe og konstruere undulatorer til APS og andre nationale laboratorier.

Et af Argonne-projekterne var design og konstruktion af LCLS-I-undulatorsystemet-440 fod sofistikerede tekniske komponenter, der inkorporerede 33 banebrydende undulators. LCLS-I-anlægget på SLAC National Accelerator Laboratory har nu fungeret med succes i mere end syv år.

Ud over, APS-forskere og ingeniører har for nylig designet og bygget en revolutionerende ny Horizontal-Gap Vertically Polarizing Undulator-prototype til LCLS-II-projektet. Det blev vedtaget og indarbejdet i LCLS-II-slutdesignet, og 32 produktionsenheder vil blive konstrueret til SLAC af Lawrence Berkeley National Laboratory og industrielle partnere.

"I de sidste par årtier har APS ingeniørteamet har konstrueret undulatorer til brug i Argonne og i hele landet, og SCU kan være det mest udfordrende projekt hidtil, "Pile sagde." Det har flyttet teknologien fremad i spring og grænser og fremhæver ekspertisen i hele APS. Vigtigere, mange industrielle partnere, mennesker på Argonne, og vores samarbejdspartnere på SLAC og Berkeley bidrog til dette projekts succes og fortjener kredit. "

Gluskin var enig:"Udviklingen af ​​denne prototype er en kulmination på mere end et årti med Argonne -forpligtelser til ny og innovativ SCU -teknologi, der vil gavne alle DOE -lyskilder."