Stor teknologiudvikling øger opdagelseskraften til LCLS røntgenlasere

Acceleratoreksperter ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory udvikler måder at gøre den mest kraftfulde røntgenlaser bedre end nogensinde. De har skabt verdens korteste røntgenimpulser til at fange elektronernes bevægelser, samt ultrahøjhastighedstog af røntgenpulser til at "filme" atomær bevægelse, og har udviklet "smarte" computerprogrammer, der maksimerer dyrebar eksperimentel tid.

Med sine røntgenstråler en milliard gange lysere end dem, der var tilgængelige før, SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) har allerede revolutioneret ultrahurtig videnskab og har åbnet nye veje for forskning inden for kemi, biologi og materialevidenskab. De nye udviklinger forbedrer røntgenlaserens muligheder yderligere.

"Oprettelse af nye muligheder for LCLS er en meget vigtig løbende indsats hos SLAC, "sagde Axel Brachmann, leder af Linac og FEL Division i laboratoriets Accelerator Directorate, på SSRL/LCLS -brugermødet 2017 i september, hvor nogle af disse udviklinger blev præsenteret. "Vores ingeniører og forskere arbejder hårdt på at skubbe grænserne for, hvad der er teknologisk muligt og for at sikre, at SLAC forbliver verdens førende inden for røntgenvidenskab."

LCLS opdagelseskraft er pakket ind i ekstremt lyse blink af røntgenlys, hver varer kun få femtosekunder - milliontedele af en milliarddel af et sekund. Som et stroboskoplys, der fryser bevægelser for hurtigt til at se med det blotte øje, disse glimt fanger billeder af atomkerner, der hurtigt svinger rundt i molekyler og materialer. Men forskere vil gerne gå videre og filme de endnu hurtigere bevægelser af et atoms elektroner.

"Disse ultrahurtige bevægelser er meget grundlæggende, fordi de danner scenen for alle de langsommere processer, " siger stabsforsker Yuantao Ding. "Men, de forekommer på mindre end et femtosekund, og vi har brug for et hurtigere 'kamera' for at fange dem. "

To SLAC -hold, ledet af Ding og medacceleratorfysiker Agostino Marinelli, har nu taget et vigtigt skridt i den retning. De demonstrerede to uafhængige metoder til generering af røntgenpulser på et par hundrede attosekunder, eller milliarder af en milliarddel af et sekund, opsætning af rekord for røntgenlasere.

Begge grupper manipulerede de tætpakkede bundter af elektroner, der flyver gennem et særligt sæt magneter, kaldet en bølgebryder, at generere LCLS røntgenpulser. De tilpassede bundterne, så kun en del af hver bundt udsendte røntgenlaserlys - hvilket resulterede i en meget kortere pulslængde.

"Dette er et stort skridt fremad, og bruger faktisk relativt enkle metoder til at generere attosekundpulser af røntgenstråler med relativt høj energi, "Siger Marinelli." For at tage dette endnu længere, LCLS-brugere ønsker at bruge blødere røntgenstråler for at tillade dem at studere et atoms ydre elektroner, som er dem, der er involveret i kemiske reaktioner. Det viser sig at skabe bløde røntgenattosekundpulser er en meget mere kompleks proces. "

Derfor arbejder Marinelli og andre på en tredje metode, kaldet X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulses (XLEAP). I denne fremgangsmåde interagerer elektronbundterne med en infrarød laser inde i undulatoren og hakkes i tynde skiver. Simuleringer tyder på, at denne metode, som i øjeblikket testes ved LCLS, kan producere bløde røntgenpulser, der kun er 500 attosekunder lange.

Nye måder at filme atomer med flere røntgenblink

For at lave film af ultrahurtige processer på LCLS, forskere bruger pumpesonde-teknikken, hvor de rammer en prøve med en "pumpe" -puls fra en konventionel laser for at udløse en atomreaktion og derefter undersøge responsen med en "sonde" -puls fra røntgenlaseren. Ved at variere mængden af ​​tid mellem de to impulser, de kan oprette en stop-action film, der viser, hvordan prøvens atomstruktur ændrer sig over tid.

Dette fungerer godt, så længe processen, såsom brydning af en kemisk binding i et molekyle, kan startes med en konventionel laser, der udsender synlige, infrarødt eller ultraviolet lys. Imidlertid, nogle reaktioner kan kun udløses af de højere energier af røntgenlysimpulser.

I princippet, disse forsøg kunne udføres på LCLS nu, men tiden mellem impulser ville begrænse undersøgelser til processer langsommere end 8 millisekunder. Selv med den fremtidige LCLS-II-opgradering, som vil "affyre" op til en million impulser i sekundet, denne grænse ville stadig være et mikrosekund. Derfor, acceleratorfysikere opfinder metoder, der genererer ultrahøjhastighedstog med røntgenblink til udforskning af meget hurtigere processer.

"SLAC tester og implementerer en række multi-puls teknikker til røntgenpumpesonde-eksperimenter med bløde og hårde røntgenstråler, såsom split-undulator, tvillingebunke, friske skiver og to spand-ordninger, " siger stabsforsker Alberto Lutman. "Sammen dækker de en bred vifte af meget korte pulsforsinkelser – fra nul forsinkelse, hvilket betyder, at pumpe og sonde røntgenpulser rammer prøven på samme tid, til forsinkelser på kun et par femtosekunder, og derefter helt til mere end 100 nanosekunder mellem impulser. "

Lutman står i spidsen for udviklingen af ​​fresh-slice-teknikken, hvor hovedet, halen og midten af ​​en enkelt elektronbunke kan producere separate røntgenpulser i separate sektioner af bølgeren. "Dette er en ekstremt fleksibel metode, "siger han." Det lader os fint variere forsinkelsen mellem impulserne, og det giver os også mulighed for at justere farven og polariseringen af ​​hver røntgenpuls individuelt."

Eksperimenter med pulser i flere farver, eller røntgenenergier, kan, for eksempel, forbedre detaljer i undersøgelser af 3-D atomstrukturer og funktioner af molekyler, såsom medicinsk vigtige proteiner. Fresh-slice-metoden har også potentiale til at øge effekten af ​​ekstremt korte røntgenpulser, og det er blevet brugt i seedningsteknikker, der forbedrer røntgenlasers ydeevne ved at gøre dets lys mindre støjende.

De fleste af multi-puls-metoderne er blevet påvist for hurtige sekvenser af to eller tre røntgenblink, men brugen af ​​endnu flere pulser er i horisonten. Et team ledet af acceleratorfysikeren Franz-Josef Decker arbejder i øjeblikket på en teknik, der bruger flere laserpulser til generation af tog på op til otte røntgenpulser. Dette ville give forskere mulighed for at følge den komplekse udvikling af, hvordan et materiale reagerer på højtryksstød, for eksempel i undersøgelsen af ​​meteoritkollisioner.

'Smart' kontrol af en kompleks opdagelsesmaskine

Grundlaget for al ovenstående forskning er behovet for at finde nye måder at køre LCLS på den mest effektive måde, så flere eksperimenter kan imødekommes. Anlægget er en af ​​kun fem hårde røntgenlasere, der opererer i verden, og adgangen til den er yderst konkurrencedygtig. En vej til at øge mængden af ​​eksperimentel tid er at minimere den tid, der bruges på at indstille maskinen til at opfylde behovene for specifikke eksperimenter.

"Hvert år bruger vi mange timer på at optimere maskinen, hvilket indebærer kedelige justeringer af et stort antal LCLS -magneter, "siger SLAC -videnskabsmand Daniel Ratner." Vi ønsker at automatisere denne procedure til fri tid til de aktiviteter, der faktisk kræver menneskelig involvering. "

Indtil for cirka et år siden, han siger, al finjustering blev udført manuelt. Nu er det gjort ved hjælp af computere, som allerede har halveret optimeringstiden. Men laboratoriets acceleratoreksperter ønsker at tage automatisering til det næste niveau ved at bruge en type kunstig intelligens kendt som "machine learning"-en tilgang, hvor "smarte" computerprogrammer lærer af tidligere røntgenlaseroptimeringer i stedet for at gentage den samme rutine hver gang tid.

"Dette vil føre til betydelige ekstra tidsbesparelser, "siger acceleratorfysikeren Joseph Duris, der leder initiativet machine learning fra SLAC's Accelerator Directorate. "Smartere optimeringsalgoritmer vil også hjælpe os med at udforske helt nye LCLS-konfigurationer for at forberede os til fremtidige eksperimenter."

Sidst men ikke mindst, maskinlæring vil hjælpe laboratoriet til effektivt at betjene to komplekse røntgenlasere side om side, når LCLS-II-opgraderingen er fuldført.