Hvordan et state-of-the-art optiksystem vil gøre Advanced Photon Source-opgraderingen mulig

For at levere røntgenstråler, der både er meget lyse og meget tæt fokuserede, et Argonne -team måtte oprette et nyt system af spejle, linser og udstyr til den opgraderede Advanced Photon Source.

I filmen "Aladdin, "Robin Williams udtrykte en enorm blå geni, der levede inde i en lille magisk lampe. Karakteren beskrev hans situation på denne måde:" Fænomenal kosmisk kraft! Sikke et lille boligareal! "

På en måde, det er udfordringen for teamet, der designer optiksystemet til opgraderingen af ​​Advanced Photon Source (APS), et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility på DOE's Argonne National Laboratory. Når anlægget kommer tilbage online, i øjeblikket planlagt til 2024, den opgraderede APS vil levere røntgenstråler, der er op til 500 gange lysere end dem, der genereres på det nuværende anlæg. Det er optikholdets opgave at finde ud af at fokusere de intense stråler ned til utroligt små størrelser.

Kort sagt, disse fænomenalt lyse stråler skal reduceres til itty-bitty spotstørrelser, ofte mindre end en enkelt mikron, betyder mindre end bakterier eller blodlegemer. Forskere vil bruge disse stramt fokuserede, ekstremt lyse bjælker for at afdække egenskaberne af nye materialer til nye enheder, for eksempel, eller at hjælpe med at udvikle den næste generation af lægemidler, der vil forbedre vores daglige liv.

Lyskilder som APS bruger en kombination af spejle, komplekse enheder kaldet monokromatorer, og linser til at manipulere og fokusere røntgenstråler på forskellige måder. Disse komponenter er alle installeret i eksperiment -slutstationer kaldet beamlines placeret omkring APS. Forskere fra hele verden bruger disse røntgenstråler til videnskabelig opdagelse. Opgradering af denne maskine kræver ny teknologi og nydesignede optiske komponenter, der er mere præcise end dem, der bruges på den nuværende APS.

"Alle strålelinierne - herunder ni nybyggede og 15 med betydelige forbedringer - vil være topmoderne, og designet til at gøre noget, vi ikke kunne gøre før, sagde Lahsen Assoufid, leder af Optics Group i Argonne's X-ray Science Division (XSD). "Vi designer helt ny optik til de ni nye beamlines. Der er ingen eksisterende optik, vi kan genbruge dem."

Efter opgraderingen, APS vil generere en røntgenkilde, der er ca. 10 mikron lodret og 30 mikron vandret, meget mindre end den, anlægget leverer nu. Assoufid og hans team er tiltalt for at designe et system, der gør det muligt for forskere at fokusere den meget lyse stråle ned til utroligt små størrelser. Systemet skal gøre det, samtidig med at røntgenstrålernes sammenhæng bevares. Sammenhæng er lyskvaliteten, der gør det muligt at bære information, når den hopper af overflader. Når disse opgraderede røntgenstråler afbrydes af en prøve, de vil levere mere information om prøven til detektorerne, hvilket resulterer i et mere detaljeret billede.

"Vi vil sikre, at den sammenhængende stråle bevares, "Sagde Assoufid." Jeg tror, ​​det er den største udfordring. Vi vil have spejlene til at bevare strålekvaliteten i fokusoptikken. Vi vil have alt dette sammenhængende lys i en lille pletstørrelse, for at fremskynde måltiden. "

Xianbo Shi er en fysiker med XSD, og han har designet flere af disse nye systemer ved hjælp af personalet ved hver stråle, han arbejder med. I alt, han sagde, APS -opgraderingen kommer til at kræve mere end 1, 700 linser og næsten 60 stærkt polerede spejle. Hvert af de optiske systemer skulle være specielt designet til krævende detaljer. Så krævende, faktisk, at teknologien ikke fandtes for at designe dem effektivt - APS Upgrade optikteamet skulle udvikle deres egen software, forbedring af den nyeste teknik, før de kunne komme videre.

"Ved hvert trin, vi bruger den bedste software og udvikler oven på det, "Sagde Shi." Vi skal designe softwaren, så vi kan designe optikken. "

De spejle, der er designet, Shi sagde, er den mest krævende state of the art i verden. Der er kun et par virksomheder i verden, der kan lave dem, han sagde, fordi for at bevare bjælkens kvaliteter, spejlene skal være næsten helt glatte. Dette går ud over traditionel mekanisk kemisk polering og til at fjerne atomer fra deres overflader en efter en.

Faktisk, Assoufid sagde, der er kun et firma i verden, der kan levere den glathed, nogle af disse spejle kræver. Omkring 20 af de spejle, der er nødvendige til opgraderingen, kommer fra dette firma, han sagde. Det tager cirka et år at lave spejle som disse, og hvis de ikke består inspektion, virksomheden bliver nødt til at starte forfra næsten fra bunden.

Linserne behøver ikke at være lige så glatte, Shi sagde, men deres design og fremstilling er stadig yderst detaljeret. Linserne er konkave, hvilket betyder, at de krummer indad. Denne kurve skal oprettes nøjagtigt for at designe specifikationer, så de fokuserer strålen efter hensigten.

Optikteamet har også udviklet teknologi ved hjælp af kunstig intelligens for at tillade nogle strålelinjer at ændre strålens størrelse hurtigt og præcist, uden at forskere skulle foretage justeringer. ATOMAR, en af ​​de nye funktionsstråler, er designet til at undersøge det strukturelle, kemiske og fysiske egenskaber ved prøver med enestående præcision. Nogle gange vil det kræve, at forskere fokuserer strålens størrelse på fluen.

"Zoom spejloptik betyder, at det har brug for to par fokuseringsspejle, så strålestørrelsen kan ændre sig ved prøven, "Forklarede Assoufid." Beamline -forskere har ikke tid til at justere spejlene, så det skal gøres automatisk. Hvis de vil fokusere strålen ét sted, og derefter ændre størrelsen, de kan forestille sig deres prøve i forskellige skalaer. "

De spejle og linser, der er nødvendige til APS-opgraderingen, er så præcise, at nogle af dem kun kan testes i en egentlig røntgenstråle. Da de ankommer til laboratoriet fra de virksomheder, der laver dem, holdet vil verificere dem på sektor 1 i APS samt udføre den traditionelle optiske metrologi. Hvert spejl tager op til en uge eller mere at teste, og teamet skulle udvikle nye værktøjer og teknologi til at gøre dette. De har også skabt nye diagnosesystemer for hver af strålelinjerne, måle det, der tidligere ikke kunne måles.

"Strålekvaliteten er vigtig, så vi har brug for en måde at måle det på, "Sagde Shi." Så vi brugte en del kræfter på at udvikle en ny bølgefront -testteknologi. Det forbedrer den nyeste teknik. Vi kan overvåge strålelinjen, når vi ændrer optik og indsamle oplysninger for at kontrollere denne optik. "

De nye spejle, linser og andet udstyr installeres i løbet af et års periode, hvor APS'en lukkes for opgraderingskonstruktion. Installationsperioden er planlagt til at begynde i april 2023. Når det nye optiksystem er færdigt, Assoufid sagde, effekten vil være som at give APS et nyt par briller. Det, der engang var sløret og svært at se, vil nu komme i fokus.

"Jeg vil være glad, når vi ser første lys, "sagde han." Vi har gjort store fremskridt, men der er meget arbejde, der skal udføres. Jeg er spændt, men jeg vil være fuldt ud tilfreds, når det hele er færdigt. "