Superledende røntgenlaser tager form i Silicon Valley

Et område kendt for højteknologiske gadgets og innovation vil snart være hjemsted for en avanceret superledende røntgenlaser, der strækker sig 3 miles i længden, bygget af et samarbejde mellem nationale laboratorier. Den 19. januar, den første sektion af maskinens nye accelerator ankom med lastbil til SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park efter en langrendstur, der begyndte i Batavia, Illinois, på Fermi National Accelerator Laboratory.

Disse 40 fod lange sektioner, kaldet kryomoduler, er byggesten til en større opgradering kaldet LCLS-II, der vil forstærke ydeevnen for laboratoriets røntgenfri-elektronlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS).

"Det krævede mange års indsats fra store teams af ingeniører og forskere i USA og rundt om i verden for at gøre ankomsten af ​​den første kryomodul til SLAC til virkelighed, " siger John Galayda, SLACs projektdirektør for LCLS-II. "Og det markerer et vigtigt skridt fremad, når vi konstruerer denne innovative maskine."

Inde i kryomodulerne, strenge af superkolde niobiumhulrum vil blive fyldt med elektriske felter, der accelererer elektroner til næsten lysets hastighed. Denne superledende teknologi gør det muligt for LCLS-II at affyre røntgenstråler, der er, gennemsnitlig, 10, 000 gange lysere end LCLS i pulser, der ankommer op til en million gange i sekundet.

Med disse nye funktioner, forskere har ambitiøse forskningsmål:undersøg detaljerne i komplekse materialer med en opløsning uden sidestykke, afsløre sjældne og forbigående kemiske hændelser, undersøge, hvordan biologiske molekyler udfører livets funktioner, og kig ind i kvantemekanikkens mærkelige verden ved direkte at måle de indre bevægelser af individuelle atomer og molekyler.

Fermi National Accelerator Laboratory bygger halvdelen af ​​kryomodulerne til LCLS-II laseropgraderingen, og Thomas Jefferson National Accelerator Facility i Newport News, Virginia, vil bygge den anden halvdel. Fermilab, Jefferson Lab og SLAC er Department of Energy (DOE) Office of Science laboratorier.

Efter konstruktion af kryomodulerne, Fermilab og Jefferson Lab tester hver især grundigt, før skibene pakkes og sendes med lastbil. Deres nye hjem i Californien vil være tunnelen, der tidligere var besat af et afsnit af SLACs 2 kilometer lange accelerator, placeret 30 fod under jorden. Som en hyldest til deres Bay Area -destination, kryomodulerne er malet "international orange" for at matche Golden Gate Bridge.

Et super-cool kølesystem

SLAC-ingeniører og deres partnere bygger et kryoplantekøleskab – et kraftfuldt køleanlæg, der vil indeholde kompressorerne, pumper og helium nødvendige for at holde acceleratoren på 2 grader Celsius over det absolutte nulpunkt (eller minus 456 grader Fahrenheit), omtrent samme temperatur som det ydre rum.

Ved disse lave temperaturer, speederen bliver det, der kaldes superledende, i stand til at booste elektroner til høje energier med minimalt energitab, når de rejser gennem hulrummene. På det tidspunkt elektronerne passerer gennem alle 37 kryomoduler, de vil rejse med næsten lysets hastighed.

Når elektronerne når så høje hastigheder, de passerer gennem en række stærke magneter, kaldet undulatorer, som hopper elektronstrålen frem og tilbage for at generere en røntgenlaser, der er meget lysere end den nuværende LCLS, bevæger sig fra 120 pulser i sekundet til 1 million pulser i sekundet - langt ud over nogen anden facilitet i verden.

Sådan fungerer en superledende accelerator

Segmenterne af den nye accelerator hos SLAC er afhængige af det, der kaldes superledende radiofrekvensteknologi. Mikrobølgeeffekt genereret over jorden føres gennem rør kaldet bølgeledere til de underjordiske kryomoduler. der, mikrobølgerne driver et oscillerende elektrisk felt, der resonerer inde i niobhulrum og til sidst bygger i styrke til en meget høj spænding.

Når den oscillerende spænding i hvert hulrum er timet til rytmen af ​​elektronbundter, der passerer gennem hulrummene, elektronerne får et boost af energi og accelererer.

"Hvis en stemmegaffel - en anden type resonator - havde samme ydelseskvalitet som et af disse superledende hulrum, det ville ringe i godt et år, " siger Marc Ross, en SLAC acceleratorfysiker, der leder udviklingen af ​​kryomodulerne. "Superledning gør det muligt for hulrummene at accelerere elektronerne i en stabil, kontinuerlig bølge uden afbrydelse, og med ekstremt høj effektivitet. "

Grundstoffet niobium er et almindeligt materiale for superledere, og hulrummene er lavet med en ekstremt ren version for at minimere ethvert elektrisk tab. Otte niobiumhulrum er boltet sammen i en snor inde i hver kryomodul. De er samlet som "et skib i en flaske, "Siger Ross. Hulrummene er omgivet af tre indlejrede lag køleudstyr, hvor hvert efterfølgende lag sænker temperaturen, indtil den når næsten det absolutte nulpunkt.

Den næste generation af røntgenlasere

Systemet, der holder hulrummene kolde, er blevet brugt til at afkøle magneter, der styrer partikler i kolliderer, herunder Large Hadron Collider ved European Organization for Nuclear Research (CERN) og Fermilabs Tevatron.

Kryomoduler med superledende radiofrekvenshulrum fremskynder elektroner, der genererer røntgenstråler ved den nyligt bestilte europæiske røntgenfri-elektronlaser. Ingeniører hos Fermilab og Jefferson Lab justerede designet af disse kryomoduler for at skræddersy udstyret til LCLS-II. De forbedrede også i høj grad kvaliteten af ​​hulrummene gennem en teknik kaldet nitrogen-doping, som producerer hulrum, der genererer mindre varme ved de koldeste temperaturer. Disse tweaks reducerer energitab og muliggør en meget lysere laser. LCLS-II bliver den første store implementering af disse seneste tekniske fremskridt.

Til LCLS-II, Lawrence Berkeley National Laboratory, med betydelige designbidrag fra Argonne National Laboratory, også skabt en ny avanceret "elektronpistol" til at injicere elektroner i acceleratoren og specialiserede undulatorer til at generere røntgenstrålerne.

Nye videnskabelige muligheder

Med hyppigere pulser, den opgraderede laser vil give forskere mulighed for at indsamle flere data på kortere tid. Dette øger antallet af eksperimenter, der kan udføres og muliggør nye typer undersøgelser, der tidligere var utænkelige.

"Inden for et par timer, LCLS-II vil kunne producere flere røntgenpulser, end den nuværende laser har leveret i hele sin operation til dato, " siger Mike Dunne, direktør for LCLS. "Data, der i øjeblikket ville tage en måned at indsamle, kunne produceres på få minutter."

Hyppigere pulser øger også chancen for, at forskere kan, for eksempel, observere sjældne begivenheder, der sker under kemiske reaktioner eller i sarte biologiske molekyler i deres naturlige miljøer. Den superledende accelerator under opbygning vil fungere parallelt med den originale. De to laserstråler åbner helt nye typer undersøgelser af kvanteverdenen, informere udviklingen af ​​materialer med nye egenskaber.

De resterende 36 kryomoduler forventes at ankomme til SLAC i løbet af de næste 18 måneder. Byggeriet af LCLS-II begyndte sidste år. DOE -brugerfaciliteten åbner for forskere fra hele verden med de bedste ideer til eksperimenter i begyndelsen af ​​2020'erne.

Læs mere om videnskabsmuligheder med LCLS-II.

Dengang og nu

SLAC har en historie om at påtage sig store projekter siden laboratoriets fødsel for mere end fem årtier siden. "Projekt M" (for "Monster"), konstruktionen af ​​en partikelaccelerator, der strækker sig 2 miles i længden, tillod videnskabsmænd at studere universets byggesten. Denne lineære accelerator var den længste, der nogensinde er konstrueret.

I 2009 laboratoriet genanvendte en tredjedel af den originale kobberaccelerator fra 1960’erne til at føre en elektronstråle ind i LCLS, den første laser af slagsen, der producerer hurtige pulser af "hårde" eller højenergirøntgenstråler til innovative billeddannelseseksperimenter. Endnu en tredjedel af den originale kobberlinac er nu ryddet for at give plads til ankomsten af ​​de nye superledende kryomoduler.