Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben samengewerkt aan het ontwerpen, twee apparaten bouwen en testen die verschillende supergeleidende materialen gebruiken en röntgenlasers krachtiger kunnen maken, veelzijdig, compact en duurzaam.

Deze prototype-apparaten, zogenaamde supergeleidende undulatoren (SCU's), met succes sterkere magnetische velden geproduceerd dan conventionele permanente magnetische undulatoren van dezelfde grootte. Deze velden, beurtelings, kan laserlicht met hogere energie produceren om een ​​breder scala aan experimenten te openen.

Over de hele wereld zijn verschillende grootschalige röntgenlasers in de maak om wetenschappers in staat te stellen de eigenschappen van materie op steeds kleinere en snellere schalen te onderzoeken, en supergeleidende golvingen worden beschouwd als een van de meest ondersteunende technologieën voor de volgende generatie van deze en andere soorten lichtbronnen.

Dergelijke lichtbronnen zijn krachtige hulpmiddelen voor het bestuderen van de microscopische structuur en andere eigenschappen van monsters, zoals eiwitten die de sleutel zijn tot medicijnontwerp, exotische materialen die relevant zijn voor elektronica en energietoepassingen, en chemie die centraal staat in industriële processen zoals brandstofproductie.

De recente ontwikkelingsinspanningen werden gemotiveerd door de upgrade van SLAC National Accelerator Laboratory van zijn Linac Coherent Light Source (LCLS), dat is de enige X-ray free-electron laser (FEL) van het land. Het nieuwe project, nu aan de gang, staat bekend als LCLS-II.

Röntgen-FEL's gebruiken nu permanente magnetische undulatoren om röntgenlicht te produceren door hoogenergetische bundels elektronen te wiebelen in wisselende magnetische velden die worden geproduceerd door een reeks permanente magneten.

Maar voor de eerste keer, Wetenschappers van Argonne hebben aangetoond dat een supergeleidende undulator kan worden gebruikt als een vrije-elektronenlaserversterker voor de hedendaagse röntgen-FEL's.

Het team van de Advanced Photon Source (APS) van het Department of Energy in Argonne heeft met succes een 1,5 meter lange prototype SCU-magneet gebouwd en getest, ontworpen om te voldoen aan de FEL-undulatorvereisten. Deze SCU maakt gebruik van niobium-titanium supergeleidende draad voor het opwinden van zijn magnetische spoelen.

Deze belangrijke prestatie zou de weg kunnen effenen voor het uitbreiden van het röntgenenergiebereik bij bestaande lichtbronnen zonder de energie van de elektronenbundel te vergroten. Dit is een belangrijk punt omdat de bouwkosten van lichtfaciliteiten voornamelijk worden bepaald door de energie van de elektronenstraal, zei Efim Gluskin, een Argonne Distinguished Fellow en een fysicus en interim-groepsleider van de Magnetic Devices Group in de Accelerator Systems Division van APS.

Gluskin zei dat de op niobium-titanium gebaseerde SCU is ontworpen om te voldoen aan alle uitdagende technische vereisten die worden toegepast op de X-ray FEL-undulator, inclusief zeer nauwkeurige veldkwaliteit en consistentie langs de hele magneet. In feite, het is experimenteel bewezen dat dit apparaat aan al deze eisen voldoet. Het APS SCU-team heeft intern ontwikkelde cryogene systemen en magnetische meettechnieken gebruikt om de SCU-prestaties te valideren.

"De grootste uitdaging is om de consistente wiebelbeweging van elektronen in een SCU te behouden, " zei Gluskin, eraan toevoegend dat het bereik van geaccepteerde afwijking van de rechte lijn van de straalbeweging over een afstand van enkele meters slechts enkele microns is. Ter vergelijking, een gemiddeld mensenhaar is 100 micron breed.

"Dat leidt tot zeer hoge eisen aan de kwaliteit van het magnetische veld dat wordt gegenereerd door SCU-magneten, ' zei Gluskin.

Paul Emma van SLAC, het hoofd van de acceleratorfysica voor het LCLS-II-upgradeproject coördineerde de ontwikkeling van de supergeleidende undulator.

"Met supergeleidende golvingen, "Emma zei, "je verlaagt niet per se de kosten, maar je krijgt betere prestaties voor hetzelfde stuk undulator."

Een supergeleidende undulator die qua lengte gelijk is aan een permanente magnetische undulator, zou licht kunnen produceren dat minstens twee tot drie keer en misschien wel tot tien keer krachtiger is, en zou ook toegang kunnen krijgen tot een groter bereik in röntgengolflengten, zei Emma. Dit levert een efficiëntere FEL op.

Supergeleidende golvingen hebben geen macroscopisch bewegende delen, zodat ze mogelijk sneller en met hoge precisie kunnen worden afgestemd. Supergeleiders zijn ook veel minder vatbaar voor schade door straling met hoge intensiteit dan materialen met permanente magneten, een belangrijk probleem in high-power versnellers zoals die zullen worden geïnstalleerd voor LCLS-II.

Er lijkt een duidelijk pad te zijn voor de ontwikkeling van supergeleidende undulatoren voor upgrades van bestaande en nieuwe röntgenvrije-elektronenlasers, Emma zei, en voor andere soorten lichtbronnen.

"Supergeleidende undulatoren zullen de technologie zijn waar we uiteindelijk naar toe gaan, of het nu in de komende 10 of 20 jaar is, " zei hij. "Ze zijn krachtig genoeg om het licht te produceren dat we nodig hebben - ik denk dat het gaat gebeuren. Mensen weten dat het een stap is die groot genoeg is, en we moeten er komen."

In dit geval, het APS-team ontwikkelde de technologie van SCU-constructie om een ​​kant-en-klaar apparaat direct van de montagebank te leveren.

"Het SCU-team heeft unieke oplossingen gevonden om deze golvingerprestaties te maken binnen de strikte specificaties van het LCLS-undulatorsysteem, " zei Joeri Ivanyushenkov, een fysicus bij de Argonne Accelerator Systems Division. "Door de jaren heen het SCU-team heeft een robuuste reeks technologische stappen en processen samengesteld om ultramoderne supergeleidende undulatoren te ontwerpen en te bouwen die met succes werken bij de APS. Het succes van dit project is het directe resultaat van de systemen en faciliteiten van het APS."

Geoffrey Stapel, Associate Division Director van de APS Engineering Support Division in Argonne en voormalig directeur van het APS LCLS-I undulatorproject, zei dat de APS een lange geschiedenis en expertise heeft met het ontwerpen en bouwen van undulatoren voor de APS en andere nationale laboratoria.

Een van de Argonne-projecten was het ontwerp en de constructie van het LCLS-I-undulatorsysteem - 440 voet geavanceerde technische componenten met 33 geavanceerde golvingers. De LCLS-I-faciliteit in het SLAC National Accelerator Laboratory draait nu al meer dan zeven jaar met succes.

In aanvulling, Wetenschappers en ingenieurs van APS hebben onlangs een revolutionair nieuw prototype van de Horizontal-Gap Vertically Polarizing Undulator ontworpen en gebouwd voor het LCLS-II-project. Het werd aangenomen en opgenomen in het definitieve ontwerp van de LCLS-II, en 32 productie-eenheden zullen voor SLAC worden gebouwd door Lawrence Berkeley National Laboratory en industriële partners.

"De afgelopen decennia hebben het APS-engineeringteam heeft undulatoren gebouwd voor gebruik in Argonne en in het hele land, en de SCU is misschien wel het meest uitdagende project tot nu toe, "Zei Pile. "Het heeft de technologie met grote sprongen vooruit gebracht en benadrukt de expertise in het hele APS. belangrijk, veel industriële partners, mensen in Argonne, en onze medewerkers bij SLAC en Berkeley hebben bijgedragen aan het succes van dit project en verdienen lof."

Gluskin was het ermee eens:"De ontwikkeling van dit prototype is het resultaat van meer dan een decennium aan toewijding van Argonne aan nieuwe en innovatieve SCU-technologie die alle DOE-lichtbronnen ten goede zal komen."