Magnetisk trick tredobler styrken af ​​SLACs røntgenlaser

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har opdaget en måde at tredoble mængden af ​​strøm genereret af verdens mest kraftfulde røntgenlaser. Den nye teknik, udviklet hos SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS), vil gøre det muligt for forskere at observere atomstrukturen af ​​molekyler og ultrahurtige kemiske processer, der tidligere var uopdagelige på atomær skala.

Resultaterne, offentliggjort i en 3. januar undersøgelse i Fysisk gennemgangsbreve ( PRL ), vil hjælpe med at løse mangeårige mysterier om fotosyntese og andre grundlæggende kemiske processer i biologi, medicin og materialevidenskab, ifølge forskerne.

"LCLS producerer verdens mest kraftfulde røntgenimpulser, som videnskabsmænd bruger til at skabe film af atomer og molekyler i aktion, " sagde Marc Guetg, en forskningsmedarbejder ved SLAC og hovedforfatter af PRL-studiet. "Vores nye teknik tredobler styrken af ​​disse korte impulser, muliggør højere kontrast."

Magnetiske vrikker

Røntgenimpulserne ved LCLS genereres ved at føre stråler af højenergielektroner gennem en lang række magneter. elektronerne, som bevæger sig tæt på lysets hastighed, vrikke frem og tilbage, når de passerer langs magneterne. Denne slingrende bevægelse får elektronerne til at udsende kraftige røntgenimpulser, der kan bruges til billeddannelse i nanoskala.

"Når du forestiller dig en atomstruktur, du har et løb i gang, " sagde studiemedforfatter Uwe Bergmann, en fremtrædende stabsforsker ved SLAC. "Du har brug for en røntgenpuls, der er stærk nok til at få et godt billede, men den puls vil ødelægge selve strukturen, som du prøver at måle. Imidlertid, hvis pulsen er kort nok, omkring 10 femtosekunder, du kan løbe fra skaden. Du kan tage et øjebliksbillede, før patienten mærker smerten."

Et femtosekund er en milliontedel af en milliardtedel af et sekund. At generere højeffekt røntgenimpulser, der kun varer 10 femtosekunder, har været en stor udfordring.

"Tricket er at få elektronerne pakket så tæt som muligt, når de begynder at vrikke rundt, Guetg forklarede. "Det er svært at gøre, fordi elektroner ikke kan lide hinanden. De er alle negativt ladede, så de frastøder hinanden. Det er en kamp. Vi forsøger konstant at tvinge dem til at sammen, og de forsøger konstant at flytte fra hinanden."

For at vinde kampen, Guetg og hans SLAC-kolleger brugte en speciel kombination af magneter designet til at bringe elektronerne tættere på hinanden, før de begynder at udsende røntgenstråler.

"Et problem, når du komprimerer elektroner er, at de begynder at sparke hinanden, " sagde Guetg. "Som et resultat, elektronstrålen vippes, hvilket forringer lysproduktionen og derfor styrken af ​​røntgenimpulserne."

I tidligere undersøgelser, Guetg havde en teori om, at korrigering af hældningen ville komprimere elektronerne og producere kortere, kraftigere udbrud af røntgenstråler.

"Elektronstrålen er formet som en banan, " sagde medforfatter Zhirong Huang, en lektor ved SLAC og ved Stanford University. "Vi korrigerede bananens krumning for at gøre den lige, blyantlignende bjælke."

Dramatiske resultater

Resultaterne var dramatiske. Udretning af strålen øgede effekten af ​​røntgenimpulserne med 300 procent, og hver puls varede kun 10 femtosekunder.

"På en genial måde, Marc og hans kolleger var i stand til at komprimere disse elektroner som en pandekage, før de gled fra hinanden, " sagde Bergmann. "Det gjorde det muligt for dem at skabe meget korte røntgenimpulser, der er omkring 1, 000 gange kraftigere, end hvis du fokuserede alt det sollys, der rammer Jorden, på en kvadratcentimeter. Det er en utrolig kraft."

Bergmann har allerede brugt den nye teknik til at skabe nanoskalabilleder af overgangsmetaller som mangan, som er afgørende for at spalte vand til dannelse af iltmolekyler (O2) under fotosyntesen.

"Ved at skubbe grænsen for laservidenskab kan vi nu se mere og forhåbentlig lære mere om kemiske reaktioner og molekylære processer, " han sagde.

SLAC-teamet håber at bygge videre på deres resultater i fremtidige eksperimenter.

"Vi ønsker at gøre den nye teknik operationel og robust, så alle kan bruge den, " sagde Huang. "Vi ønsker også at blive ved med at forbedre kraften med denne teknik og andre. Jeg vil ikke kalde dette den endelige grænse."