SLACs elektronhub får nyt metorkort til verdens mest kraftfulde røntgenlaser

Det centrale knudepunkt for kraftfulde elektronstråler ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory får en makeover for at forberede installationen af ​​LCLS-II-en større opgradering til Linac Coherent Light Source (LCLS), verdens første hårde røntgenfri-elektronlaser. LCLS-II vil levere de mest kraftfulde røntgenstråler, der nogensinde er foretaget i et laboratorium, med bjælker, der er 10, 000 gange lysere end før, åbning af hidtil usete forskningsmuligheder inden for kemi, materialevidenskab, biologi og energiforskning.

Navet, kaldet Beam Switch Yard (BSY), er en 600 fod lang sektion placeret i den østlige ende af laboratoriets historiske 2 kilometer lange lineære accelerator (linac), hvor elektroner med høj energi fra acceleratoren omdirigeres til eksperimentelle stationer. Disse "elektrontog" minder om de forskellige linjer i et metrosystem, der forbinder forskellige steder i en by.

"Det nye BSY-design rydder vejen til LCLS-II og giver mulighed for den bredeste række muligheder for den fremtidige røntgenlaser, "siger SLACs Scott DeBarger, leder af BSY Reconfiguration Project.

Dagens LCLS, en DOE Office of Science brugerfacilitet, bruger en enkelt elektronlinje, der starter ved en elektroninjektor i begyndelsen af ​​den sidste tredjedel af linacens originale kobberaccelerator og ender lige ud over LCLS-undulatoren-en række magneter, der omdanner elektronernes energi til ultralette røntgenstråler.

Men den fremtidige facilitet skal bruge flere forbindelser. Ud over kobberlinakken, LCLS-II vil have en superledende accelerator, der vil øge røntgenlaserens affyringshastighed til op til en million pulser i sekundet. Den nuværende undulator vil også blive erstattet med to state-of-the-art undulators til generering af lav- (blød) og højenergi (hård) røntgenstråler. BSY -omkonfigurationen sørger for, at begge elektronstråler vil være i stand til at mates ind i en hvilken som helst bølger, hvilket kræver fire hovedlinjer.

For at give forskere på LCLS-II kontrol over hastigheden af ​​røntgenpulser i deres eksperimenter, en anden linje kan styre elektrontog, der kommer fra den superledende linac ind i et stråledump, før de når udløbere.

En sjette linje fører til End Station A til forsøg, der bruger de ekstremt kraftige elektronstråler direkte.

SLAC maskiningeniør og systemchef Jose Chan og hans team designet LCLS-II strålelinjen, der løber gennem BSY-rekonfigurationsområdet, herunder et vakuumkammer, der binder LCLS-II superledende linac til strålelinjen fra den kobberlinac, der i øjeblikket bruges til de hårde røntgenbølger.

En monumental oprydning

For at rydde stien til LCLS-II, besætninger skulle først fjerne alle unødvendige materialer fra BSY - en monumental opgave i betragtning af SLACs rige historie inden for acceleratorvidenskab og det ældre materiale, den skabte.

"Når eksperimenterne slutter, det meste af det gamle udstyr efterlades typisk på plads, "siger SLACs Mark Woodley, en optikedesigner involveret i BSY Reconfiguration Project. "Kun de ting, der er i vejen for nye eksperimenter, tages ud."

I sine tidlige dage i 1960'erne, linakken leverede elektronstråler til tre forsøgsstationer. Der gik en linje lige ind i laboratoriets forskningsværft. I dag fortsætter denne linje til LCLS -bølgeren. Pulserede magneter i BSY kunne omdirigere strålen til slutstationer A og B via to strålelinjer, der forgrenede sig fra den centrale linje.

I 1980, yderligere to grene blev tilføjet til foderelektroner og positroner, antipartikel søskende til elektroner, ind i PEP-acceleratorens to lagringsringe (PEP-II fra 1999). I 1987, yderligere to grene var nødvendige for at levere bjælker til de to arme på Stanford Linear Collider (SLC).

De fleste af de gamle materialer, der blev efterladt i BSY ved disse forsøg, er nu blevet ryddet - et job, der tog 300 ansatte og underleverandører næsten 24, 000 timers arbejde i perioden fra december 2016 til maj 2017. De fjernede 325 kubikmeter, eller omkring 24 tons, af materiale-nok til at fylde otte søtransportcontainere-og mere end 300, 000 fod kabler.

"I betragtning af den monumentale opgave, vi havde foran os, det er virkelig imponerende, hvor godt dette projekt gik, "DeBarger siger." Det involverede mange mennesker indefra og uden for laboratoriet, og hver eneste af dem var absolut nødvendig. "

Bygger fremtiden for røntgenvidenskab

Efter at have ryddet BSY, medlemmer af rekonfigurationsprojektet installerede en ny bjælkelinje, der løber fra kobberlinakken til den nuværende LCLS -undulator. Parallelt, systemet til at udtrække elektroner til slutstationen En linje blev sat på plads af et andet projektteam.

"Vi installerede også det allerførste LCLS-II strålerør for enden af ​​et 'muon-skjold', der er konstrueret af 5- og 10-tons stålblokke og afskærmer stråletransporthallen nedstrøms for BSY, giver adgang, mens bjælker er indstillet i BSY, "siger Dean Hanquist, kontrol konto manager på Chans team.

"Til sidst, vi var nødt til at sikre, at alt fungerer korrekt igen for LCLS, som nu har genoptaget sit eksperimentelle program, "siger BSY Area Physicist Tonee Smith." F.eks. alle magneter, der blev brugt i strålelinjen til at fokusere elektronstrålen og foretage små korrektioner til den, blev renoveret, og vi var nødt til at måle og teste dem igen. "

De resterende strålelinjer og kryds vil blive installeret i løbet af en årelang LCLS -nedetid, som starter i sommeren 2018. Når den er afsluttet, det nye BSY "metrosystem" vil være klar til at transportere elektrontog til det nye røntgenlaseranlæg, hvor de vil drive banebrydende røntgenvidenskab i de kommende år.