SLACs opgraderede røntgenlaseranlæg producerer første lys

For lidt over et årti siden i april 2009, verdens første hårde røntgenfri-elektronlaser (XFEL) producerede sit første lys ved det amerikanske energiministeriums SLAC National Accelerator Laboratory. Linac Coherent Light Source (LCLS) genererede røntgenimpulser en milliard gange lysere end noget, der var kommet før. Siden da, dens ydeevne har muliggjort grundlæggende ny indsigt inden for en række videnskabelige områder, fra at skabe "molekylære film" af kemi i aktion til at studere strukturen og bevægelsen af ​​proteiner til nye generationer af lægemidler og replikere de processer, der skaber "diamantregn" inden for gigantiske planeter i vores solsystem.

Det næste store skridt på dette område blev sat i gang i 2013, lancering af LCLS-II opgraderingsprojektet for at øge røntgenlaserens effekt tusindvis af gange, producerer en million pulser i sekundet sammenlignet med 120 i sekundet i dag. Denne opgradering skal være afsluttet inden for de næste to år, og DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) er blandt en gruppe af samarbejdspartnere, der har ydet store bidrag.

I dag, første fase af opgraderingen trådte i drift, at producere en røntgenstråle for første gang ved hjælp af et kritisk element i det nyinstallerede udstyr.

"LCLS-II-projektet repræsenterer den samlede indsats fra fem nationale laboratorier fra hele USA, sammen med mange kolleger fra universitetsmiljøet og DOE, " sagde Chi-Chang Kao, direktør for SLAC. "Dagens succes afspejler den enorme værdi af igangværende partnerskaber og samarbejde, der gør os i stand til at bygge unikke verdensførende værktøjer og kapaciteter."

XFEL'er arbejder i en to-trins proces. Først, de accelererer en kraftig elektronstråle til næsten lysets hastighed. De sender derefter denne stråle gennem en udsøgt afstemt serie af magneter i en enhed kendt som en undulator, som omdanner elektronenergien til intense udbrud af røntgenstråler. Udbruddene er kun milliontedele af en milliardtedel af et sekund lange - så korte, at de kan fange fødslen af ​​en kemisk binding og producere billeder med atomopløsning.

LCLS-II-projektet vil transformere begge elementer af anlægget - ved at installere en helt ny accelerator, der bruger kryogen superledende teknologi til at opnå den hidtil usete gentagelseshastighed i en fri-elektronlaser, sammen med undulatorer, der kan give udsøgt kontrol af røntgenstrålen.

Ud over at føre tilsyn med konstruktionen og leveringen af ​​alle de "hårde, " eller højere-energi røntgenundulatorsegmenter, der muliggjorde den seneste milepæl, Berkeley Lab yder også flere andre bidrag til LCLS-II-projektet.

Berkeley Lab har designet og overvåget konstruktionen og leveringen af ​​undulatorerne til den "bløde" røntgenstrålelinje med lavere energi; designet, bygget, og leverede injektorkilden med høj lysstyrke, der leverer elektronstrålen; og leder i fællesskab udviklingen af ​​hardware og software til det lav-niveau radiofrekvens (LLRF) kontrolsystem, der hjælper med at styre den superledende accelerator, der er en del af den bløde røntgenlinje. Og Berkeley Lab forventer en rolle i LCLS-II High Energy-opgraderingsprojektet, hvilket vil fordoble elektronenergien i den hårde røntgenaccelerator.

Kraftig og præcis

I løbet af de seneste 18 måneder, den originale LCLS-undulator blev fjernet og erstattet med to nye systemer, der tilbyder dramatiske nye muligheder. Hver af disse undulatorlinjer indeholder tusindvis af permanente magneter og strækker sig over 100 meter; sammen skaber de magnetiske felter, der er titusindvis af gange stærkere end Jordens. Dette genererer kræfter svarende til et par tons vægt, samtidig med at stivheden af ​​strukturen, der holder magneterne inden for en hundrededel af bredden af ​​et menneskehår, bibeholdes.

De nye hårde røntgenundulatorer blev fremstillet af DOE's Argonne National Laboratory, designet af Argonne og Berkeley laboratorier, bygget af Berkeley Lab, og er blevet installeret hos SLAC i løbet af det seneste år. Bløde og hårde røntgenstråler kan undersøge forskellige prøvetyper og egenskaber. LCLS-II blød røntgenundulator, drevet af den superledende accelerator, er endnu ikke testet.

I dag, det hårde røntgensystem demonstrerede sin ydeevne i klarhed til de kommende eksperimentelle kampagner. Forskere i SLAC Accelerator Control Room rettede elektronstrålen fra den eksisterende LCLS accelerator gennem rækken af ​​magneter i undulatoren.

I løbet af blot et par timer, de producerede det første tegn på røntgenstråler, og tunede derefter konfigurationen præcist for at opnå fuld røntgenlaserydelse med de tilgængelige undulatorsegmenter. De fleste af de hårde røntgenundulatorsegmenter er blevet installeret, og de resterende segmenter er planlagt til levering og installation i den kommende måned.

"At nå det første lys er en milepæl, vi alle har set frem til, sagde Henrik von der Lippe, Direktør for Engineering Division hos Berkeley Lab. "Denne milepæl viser, hvordan alt det hårde arbejde og samarbejde har resulteret i en videnskabelig facilitet, der vil muliggøre ny videnskab."

Han tilføjede, "Berkeley Labs bidrag til design og fremstilling af hårde røntgenundulatorer brugte vores erfaring fra at levere undulatorer til videnskabsfaciliteter og vores mangeårige styrke inden for mekanisk design. Det er givende at se frugterne fra mange års dedikerede teams i Engineering Division, der leverer enheder, der opfylder alle forventninger."

Thomas Schenkel, midlertidig direktør for Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics Division, sagde, "Dette er et godt eksempel på, hvordan vores videnskabelige grundlag og ingeniørekspertise hænger sammen." Han tilføjede, "Laboratoriet har årtiers erfaring med at designe og bygge nogle af deres tids mest avancerede undulatorer, og vi ser frem til fortsat at bidrage til DOE-forskningskomplekset på denne måde."

Den videnskabelige effekt af de nye undulatorer vil være betydelig. Et stort fremskridt er, at adskillelsen mellem magneterne kan ændres efter behov, gør det muligt at justere bølgelængden af ​​de udsendte røntgenstråler til at matche eksperimenternes behov. Forskere kan bruge dette til at identificere adfærden af ​​udvalgte atomer i et molekyle, hvilket blandt andet vil forbedre vores evne til at spore strømningen og lagringen af ​​energi til avancerede solenergiapplikationer.

Den undulator, der blev demonstreret i dag, vil være i stand til at fordoble LCLS' maksimale røntgenenergi. Dette vil give meget mere præcis indsigt i, hvordan materialer reagerer på ekstrem stress på atomniveau og i fremkomsten af ​​nye kvantefænomener.

"Nudlen":En unik, udfordrende undulatordesign

Den færdige hårde røntgenundulator vil have 32 segmenter. Hvert segment vejer 2,3 tons og er omkring 13 fod langt. Designet af de hårde røntgenundulatorsegmenter er unikt, fordi det i det væsentlige roterer det traditionelle undulatordesign 90 grader, hvilket også gav unikke ingeniørmæssige udfordringer.

For at passe ind i undulatortunnelen ved SLAC, undulatorsegmenterne skulle være meget tyndere end normalt - Berkeley Labs ingeniører kaldte designet "nudlen". Dette design gjorde også stålstøtten, eller strongback, indeholdende de mange magneter i hvert unduluatorsegment mere udsat for uønsket bøjning på grund af de omkring 4 tons magnetiske kraft, de skal modstå.

Den unikke, roteret design af undulatorerne krævede en række af omkring 150 fjedre pr. undulatorsegment, der kan justeres præcist for at holde de hundredvis af magneter på linje.

Men selv små temperaturændringer, og enkel bearbejdning såsom påboltning af nye komponenter, ændrede strongback-støttestrukturerne ud over, hvad der var tilladt - enhederne skulle forblive lige til inden for 10 milliontedele af en meter.

Så det tidlige design af segmenterne måtte genovervejes, sagde Matthaeus Leitner, Berkeley Labs ledende ingeniør for LCLS-II-undulatorerne.

"I lang tid havde vi ikke helt en løsning, " sagde Leitner. "Vi var dybest set nødt til at ændre hver enkelt komponent i enheden. Dette var en teamindsats af meget dygtige ingeniører og teknikere."

John Corlett, som har fungeret som Berkeley Labs senior teamleder på LCLS-II-projektet og nu er Lab Project Management Officer, sagde, "Dette var et meget udfordrende maskinteknisk problem. Det var et samarbejde mellem SLAC, Berkeley, og Argonne-laboratorier arbejder sammen. Vi holdt en række workshops, og vi arbejdede sammen om at løse problemer. Det er fantastisk, at det lykkedes for os at gøre dette på den meget korte tidsramme, som projektet har brug for."

Leitner tilføjede, "En stor styrke hos Berkeley Lab er rækken af ​​tekniske ressourcer. Hvis der opstår et problem, vi kan umiddelbart sætte mange ressourcer i at løse et problem. Vi kunne løse dette tilsyneladende uoverstigelige problem inden for et par måneder. Det her var utroligt. Det var kun muligt, fordi vi har storskala værktøj, præcisionsmåleudstyr, og fremragende teknisk supportudstyr."

Der var også en betydelig indsats fra Berkeley Labs ingeniører for at arbejde med og træne de tre leverandører, der fremstillede og monterede undulatorerne. Berkeley Lab udnyttede sit magnetiske design og målemuligheder, og udviklede præcise metoder til at samle og effektivt tune undulatorerne.

Det unikt roterede design af de hårde røntgenundulatorer vil i sidste ende forbedre røntgenlaserens ydeevne ved at levere flere røntgenstråler til prøver i eksperimenter, Leitner bemærkede. "Det giver dig et betydeligt løft i den tilgængelige udgangseffekt fra de hårde røntgenstråler, " han sagde.

Leitner og Corlett sagde, at designet, kendt som vertikal polarisering, vil sandsynligvis blive overtaget af andre røntgen-frielektronlasere og lyskilder, nu hvor designudfordringerne for kapaciteten er blevet udarbejdet.

"Dette er aldrig blevet gjort før, " sagde Corlett.

Næste skridt

Ud over undulatorerne ligger frontend kabinettet, eller gebyr, som indeholder en række optik, diagnostik, og tuning enheder, der forbereder røntgenstrålerne til specifikke eksperimenter. Disse inkluderer verdens fladeste, glatteste spejle, der er en meter lange, men varierer i højden med kun et atoms bredde over deres overflade. I løbet af de næste par uger, denne optik vil blive testet som forberedelse til mere end 80 eksperimenter, der skal udføres af forskere fra hele verden i løbet af de næste seks måneder.

"I dag markerer starten på LCLS-II-æraen for røntgenvidenskab, " sagde Mike Dunne, LCLS direktør. "Vores umiddelbare opgave bliver at bruge denne nye undulator til at undersøge SARS-CoV-2-virussens indre funktion. Så vil de næste par år se en fantastisk transformation af vores anlæg. Næste op vil være den bløde røntgenundulator , optimeret til at studere, hvordan energi flyder mellem atomer og molekyler, og dermed den indre virkning af nye energiteknologier. Ud over dette vil være den nye superledende accelerator, der vil øge vores røntgeneffekt med mange tusinde gange."

Han tilføjede, "Fremtiden er lys, som vi kan lide at sige i røntgenlaserverdenen."