Sender elektroner på en rutsjebanetur

Et første af sin slags røntgeninstrument til grænseforskning med røntgenstråler med høj lysstyrke er nu i drift på Argonne National Laboratory. Den nye enhed bruger en unik superledende teknologi, der fremskynder elektroner på en sti, der ligner en rutsjebane.

Indføringsenheden (ID), kaldet en Helical Superconducting Undulator (HSCU), blev designet ved Advanced Photon Source (APS), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved DOE's Argonne National Laboratory. Enheden har tre primære fordele i forhold til andre typer ID'er til at producere røntgenstråler med høj lysstyrke:(1) den genererer et stærkere magnetfelt end andre ID'er; (2) det giver forskere mulighed for at vælge en enkelt energi fra røntgenstrålen uden at bruge nogen røntgenoptik; og (3) den frembringer en røntgenstråle med cirkulær polarisation. Argonne udviklede den spiralformede undulator med 2 millioner dollars i finansiering fra DOE Office of Science.

Taget sammen, disse fordele er spændende for forskere, fordi enheden giver dem mulighed for at indsamle data hurtigere og mere rent end med andre enheder, da HSCU'en ikke kræver ekstra optik for at udføre eksperimenter.

Et typisk ID er et sæt kraftige periodiske magnetiske strukturer, der skaber høj lysstyrke, fremadrettet synkrotronstrålingsemission ved at tvinge en lagret ladet partikelstråle (elektroner ved APS) til at udføre vrikke eller bølger, når de passerer gennem enheden. HSCU er den seneste i en to årtier lang serie af innovative ID'er designet og leveret af Argonne-forskere og ingeniører til APS og andre DOE synkrotron røntgenfaciliteter.

En spiralformet superledende undulator er en meget udfordrende enhed at integrere i en fungerende elektronlagerring, som den hos APS, fordi det indfører stærke begrænsninger for håndteringen af ​​elektronstrålen i lagerringen. Det kan forårsage forstyrrelser i ringdriften og, derfor, i levering af røntgenbilleder til ventende forskere. Det geniale mekaniske og magnetiske design af HSCU-spolens geometri udviklet af APS-ingeniører og fysikere gør den ikke-forstyrrende for den stabile drift af APS-lagerringen. Forskere ved kun, at HSCU er der på grund af de røntgenstråler, den leverer.

Efim Gluskin, en Argonne Distinguished Fellow og tidligere APS Division Director, som har ledet undulatorprogrammet ved APS fra dets start, sammenlignede elektrongruppens bevægelse i HSCU'en med sløjfebevægelsen af ​​en rullende rutsjebane som X Flight-turen i Six Flags Great America forlystelsesparken nær Chicago. Når elektroner proptrækker gennem enhedens magnetfelt, de genererer den cirkulært polariserede stråling.

Men for at tvinge elektronernes spiralbevægelser, en speciel magnet skulle bygges med et stærkt spiralformet magnetfelt. Det mål blev opnået ved at vikle superledende ledninger rundt om en proptrækkerformet del af jern. Slutresultatet er en 1,1 meter lang superledende elektromagnet med mange spiralformede vekslende nord-syd magnetiske poler; disse magnetiske poler, når HSCU er tændt, er det, der sender elektronerne på deres spiralbane.

HSCU giver forskere en mere intens røntgenstråle, der giver mulighed for hurtigere dataindsamling end konventionelle undulatorer, på tidsskalaer på en milliardtedel af et sekund. Og ligesom konventionelle undulatorer, den nye type undulator kan muliggøre forskning i en række komplekse fænomener, herunder den udviklende dynamik af kompleks væskestrøm og magnetismen af ​​metaller.

Ved drift af konventionelle undulatorer, videnskabsmænd skal bruge en ekstra enhed udstyret med optiske røntgenkomponenter kaldet monokromatorer for at vælge deres foretrukne røntgenstråleenergi. Men HSCU'en leverer straks monokromatisk røntgenstråle direkte fra undulator til prøven, der studeres uden hjælp fra en monokromator. Dette giver ikke kun en mere intens stråle, men også en mere sammenhængende (eller perfekt) stråle, da enhver optik vil have små ufuldkommenheder, der kan introducere uønskede forvrængninger i røntgenstrålen. Og oven i købet, evnen til at producere cirkulært polariseret stråling er vigtig, da cirkulært lys er følsomt over for egenskaber af et materiale, såsom magnetisme og molekylær chiralitet – eller håndhed – som lineært eller upolariseret lys ikke kan se.

Den nye undulator begyndte at fungere ved Sector 7-ID X-ray beamline af APS den 19. januar, 2018. Denne strålelinje, som administreres af Argonne X-ray Science Division, er dedikeret til ultrahurtige tidsopløste målinger af materialer. Forskere planlægger at bruge den nye enhed til at studere dynamikken i brændstofindsprøjtning; en bedre forståelse af denne proces kunne føre til mere brændstofeffektive motorkøretøjer.

"De kan bringe denne stråle direkte fra undulatoren og lave et standard billedeksperiment, som om du ville få taget et røntgenbillede på en læges kontor eller en tandklinik. Men du kan gøre det meget hurtigt her, "med intervaller på en milliardtedel af et sekund, sagde Jonathan Lang, direktør for røntgenvidenskabsafdelingen ved APS.

En anden teknik, der vil drage fordel af den nye undulator, er røntgenfoton-korrelationsspektroskopi. Denne teknik svarer til røntgenstråler til at skinne en laserpointer mod en væg; det sted, det genererer, ser ud til at flimre, resultatet af intensitetsvariationer. "Det er forårsaget af murens ruhed, " sagde Lang.

Hvis den ruhed skulle ændre sig millioner af gange i sekundet, videnskabsmænd ville være i stand til at opdage den tilsvarende ændring i væggens interferensmønster ved hjælp af røntgenfoton-korrelationsspektroskopi. Den enkelte bølgelængde, som den nye undulator giver, vil tillade forsøgspersoner at se på, hvordan materialer udvikler sig på endnu hurtigere tidsskalaer, end det var muligt før. "Ved at se på røntgenstrålerne, og hvordan de spredes og flimrer, vi kan fortælle, hvordan molekyler bevæger sig rundt i materialet, og på hvilke tidsskalaer de bevæger sig rundt, " sagde Lang.

Den nye undulator vil også udføre fasekontrastbilleddannelse for at fremhæve visse aspekter af de fænomener, der undersøges, såsom dieselbrændstof, der er sammensat af forskellige lette grundstoffer kaldet kulbrinter. Fasekontrastbilleddannelse kan øge kontrasten mellem kulbrinterne og luften under eksperimenter, at lade forskere se strukturer, der ikke er mulige at observere ved hjælp af konventionel røntgenbilleddannelse, som kun viser variationer i tæthed. For eksempel, Røntgenbilleder taget på en læges kontor viser knogler tydeligere end det meget lettere bløde væv.

Gluskin forventer, at de nye superledende undulatorer vil blive et almindeligt værktøj for fremtidige lyskilder og frie elektronlasere, fordi de udkonkurrerer eksisterende permanentmagnet-undulatorer ved levering af lyse røntgenstråler til et bredt energiområde. Og især HSCU åbner døren for den næste generation af mere kompakte og omkostningsbesparende gratis elektronlasere.

Superledende undulatorteknologi er også afgørende for APS-opgraderingen. Opgraderingen vil udstyre forskere med en næste generations facilitet til mere præcist at undersøge atom- og molekylær struktur og funktion, udvidelse af USA's globale lederskab inden for hård røntgen (kort bølgelængde) videnskab og teknologisk forskning i de kommende årtier.

"Den spiralformede superledende undulator vil give os mulighed for at prøve nogle teknikker, som vi ønsker at gøre i opgraderingen, " sagde Lang.