En million pulser i sekundet:Hvordan partikelacceleratorer driver røntgenlasere

For cirka 10 år siden, verdens mest kraftfulde røntgenlaser-Linac kohærente lyskilde-fik sin debut på SLAC National Accelerator Laboratory. Nu er den næste revolutionerende røntgenlaser i særklasse, LCLS-II, er under opførelse hos SLAC, med støtte fra fire andre DOE nationale laboratorier.

Forskere i biologi, kemi og fysik vil bruge LCLS-II til at undersøge grundlæggende stykker stof, at lave 3D-film af komplekse molekyler i aktion, gør LCLS-II til en kraftfuld, alsidigt instrument i spidsen for opdagelsen.

Projektet falder sammen takket være et afgørende fremskridt inden for partikel- og atomfysik:superledende acceleratorteknologi. DOE's Fermilab og Thomas Jefferson National Accelerator Facility bygger de superledende moduler, der er nødvendige for acceleratoropgraderingen til LCLS-II.

Et kraftfuldt værktøj til opdagelse

Inde i SLACs lineære partikelaccelerator i dag, udbrud af elektroner accelereres til energier, der gør det muligt for LCLS at affyre 120 røntgenpulser pr. sekund. Disse pulser varer i quadrillionths af et sekund-en tidsskala kendt som et femtosekund-og giver forskere et bladbogslignende kig på molekylære processer.

"Over tid, du kan opbygge en molekylær film om, hvordan forskellige systemer udvikler sig, "sagde SLAC -videnskabsmanden Mike Dunne, direktør for LCLS. "Det har vist sig at være ganske bemærkelsesværdigt, men det har også en række begrænsninger. Det er her, LCLS-II kommer ind. "

Ved hjælp af state-of-the-art partikelaccelerator teknologi, LCLS-II giver en svimlende million impulser i sekundet. Forskuddet vil give et mere detaljeret indblik i, hvordan kemiske, materiale og biologiske systemer udvikler sig på en tidsskala, hvor kemiske bindinger dannes og brydes.

For virkelig at forstå forskellen, forestil dig, at du er en udlænding, der besøger Jorden. Hvis du tager et billede om dagen af ​​en by, du vil bemærke veje og de biler, der kører på dem, men du kunne ikke fortælle bilernes hastighed, eller hvor bilerne går. Men at tage et øjebliksbillede hvert par sekunder ville give dig et meget detaljeret billede af, hvordan biler flyder gennem vejene og ville afsløre fænomener som trafikpropper. LCLS-II vil levere denne type trinændringsinformation, der anvendes på kemikalier, biologiske og materielle processer.

For at nå dette detaljeringsniveau, SLAC skal implementere teknologi udviklet til partikelfysik-superledende accelerationshulrum-for at drive LCLS-II frielektronlaseren, eller XFEL.

Accelererende videnskab

Hulrum er strukturer, der giver energi til partikelstråler, accelerere partiklerne i dem. LCLS-II, ligesom moderne partikelacceleratorer, vil drage fordel af superledende radiofrekvenshulhedsteknologi, også kaldet SRF -teknologi. Når den er afkølet til 2 Kelvin, superledende hulrum tillader elektricitet at strømme frit, uden modstand. Som at reducere friktionen mellem en tung genstand og jorden, mindre elektrisk modstand sparer energi, tillader acceleratorer at nå højere effekt til mindre omkostninger.

"SRF-teknologien er et muliggørende trin for LCLS-II's millionimpulser pr. Sekund, "Sagde Dunne." Jefferson Lab og Fermilab har udviklet denne teknologi i årevis. Den centrale ekspertise til at gøre LCLS-II mulige liv på disse laboratorier. "

Fermilab ændrede et kryomoduldesign fra DESY, i Tyskland, og specielt forberedt hulrummene til at trække den rekordindstillende ydeevne fra de hulrum og kryomoduler, der vil blive brugt til LCLS-II.

De cylinderformede kryomoduler, omkring en meter i diameter, fungere som specialiserede beholdere til opbevaring af hulrummene. Inde, ultrakold flydende helium strømmer kontinuerligt rundt i hulrummene for at sikre, at de bevarer den urokkelige 2 Kelvin, der er afgørende for superledning. Opstillet ende til anden, 37 kryomoduler vil drive LCLS-II XFEL.

Fermilab og Jefferson Lab deler ansvaret for fremstilling, test og levering af kryomodulerne til SLAC. Sammen, de to laboratorier vil bygge alle de kryomoduler, der skal rumme hulrummene. Fermilab leverer 19 kryomoduler, og Jefferson Lab leverer de andre 18. Den største af disse cylindre når 12 meter (40 fod) i længden, om længden af ​​en skolebus. Hvert laboratorium sender også et par reservedele til SLAC.

Hulrummene og deres kryomoduler repræsenterer gennembrud inden for SRF -teknologi, at levere bjælker med høj energi langt mere effektivt end tidligere muligt. Forskere har forbedret SRF -hulrum for at opnå rekordgradienter, et mål for, hvor hurtigt en stråle kan opnå en bestemt energi. Hulrummene opnåede også for nylig et hidtil uset resultat i deres energieffektivitet, fordobling af det tidligere state-of-the-art design samtidig med at omkostningerne reduceres.

Forskerne og ingeniørerne var omhyggelige med at udvikle LCLS-IIs acceleratorkomponenter. For eksempel, at skabe kryomodulerne og hulrummene, Fermilab brugte udstyr til detektering af jordskælv til at identificere, om vibrationer, der påvirker hulrummets effektivitet, var interne eller eksterne. Når de fandt årsagen, de ændrede konfigurationen af ​​væske-heliumrørene for at reducere disse vibrationer.

Fermilab og Jefferson Lab vil også sende forskere og ingeniører til at hjælpe SLAC, når LCLS-II først tænder kryomodulerne.

Jefferson Lab leverer også design og indkøb af de kryogene køleanlæg, der leverer det flydende helium til afkøling af SRF -hulrum til 2 Kelvin, mens Fermilab leverer design og indkøb af komponenter til de kryogene distributionssystemer, der flytter det flydende helium fra disse planter til kryomodulerne. Berkeley Lab og Argonne National Laboratory er også medvirkende komponenter til LCLS-II, herunder kilden, der leverer elektronstrålen og magneterne, der tvinger strålen ind i den bølgelignende bevægelse, der skaber røntgenlys. Cornell University støttede FoU for LCLS-II hulprototyper og hjalp med at behandle hulrummene.

"Vi er alle sammen i dette, "sagde Rich Stanek, LCLS-II Fermilab senior teamleder. "Dette tætte samarbejde mellem nationale laboratorier lover godt for fremtidige projekter. Det har fordele ud over selve projektet."

Disse fordele har gjort LCLS-II til et af de prioriterede projekter for DOE's Office of Science og udvidet ud over partnerlaboratoriernes interesser. LCLS-II forventes at bygge på sin stamfader, dykker endnu dybere ned i områder lige fra biologi og kemi til materialevidenskab og astrofysik.

Åbner op, dykker dybt

Eric Isaacs, formanden for Carnegie Institution for Science og formand for SLAC Scientific Policy Committee, har allerede gennemgået en række forslag til LCLS-II.

"Der er et vilkårligt antal processer, der sker på meget korte tidsskalaer, "Sagde Isaacs, en kondenseret fysiker ved træning. "Og LCLS-II åbner helt nye områder af videnskaberne for at studere."

Et sådant spørgsmål vil bruge røntgenlaseren til at undersøge materiale under forhold, der ligner selve midten af ​​vores planet og få indsigt i, hvordan Jorden dannede sig. Astrofysikere ville derefter kunne tilpasse disse oplysninger til deres søgen efter liv på eksoplaneter.

Med LCLS-II, forskere vil kunne studere fotosyntese på et dybere niveau end nogensinde før. Håbet er, at mennesker en dag vil være i stand til at ombygge fotosyntese og udnytte et nyt biologisk værktøj til at generere energi.

En af måderne, hvorpå LCLS-II vil fremme forskning inden for biologi, er ved at kortlægge proteiner og enzymer under forhold, der ligner deres normale miljøer. Denne dybere forståelse vil bane vejen for forskere til at skabe bedre lægemidler.

Forskere har også til hensigt at bruge LCLS-II til at undersøge superledere, bringer maskinens brug af acceleratorteknologi fuld cirkel. Nuværende superledere er begrænset af deres behov for specifikke, lave temperaturer. Ved at forstå atomfænomenet superledelse, forskere kan muligvis oprette en superleder ved stuetemperatur.

"Partikel- og kernefysik har udviklet de superledende teknologier og kapaciteter, som LCLS-II vil bruge, "Isaacs sagde." Disse fremskridt vil gøre det muligt for LCLS-II at se på nogle af de vigtigste spørgsmål på tværs af mange videnskabelige grene. "

Som med alle større fremskridt, den sande transformerende effekt af LCLS-II vil blive afsløret, når dens røntgenstråler lyser en prøve for første gang. LCLS-II er planlagt til at starte i 2021.