De centrale hub voor krachtige elektronenstralen bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy krijgt een make-over ter voorbereiding op de installatie van LCLS-II - een belangrijke upgrade van de Linac Coherent Light Source (LCLS), 's werelds eerste harde röntgenvrije-elektronenlaser. LCLS-II levert de krachtigste röntgenfoto's die ooit in een laboratorium zijn gemaakt, met balken die 10 zijn, 000 keer helderder dan voorheen, het openen van ongekende onderzoeksmogelijkheden in de chemie, materiaal kunde, biologie en energieonderzoek.

de naaf, genaamd de Beam Switch Yard (BSY), is een 600 meter lang gedeelte aan de oostkant van de historische 2 mijl lange lineaire versneller (linac) van het lab, waar hoogenergetische elektronen van de versneller worden omgeleid naar experimentele stations. Deze "elektronentreinen" doen denken aan de verschillende lijnen van een metrosysteem dat verschillende locaties in een stad met elkaar verbindt.

"Het nieuwe BSY-ontwerp maakt de weg vrij voor LCLS-II en biedt de breedste reeks opties voor de toekomstige röntgenlaser, " zegt Scott DeBarger van SLAC, manager van het BSY-herconfiguratieproject.

De LCLS van vandaag, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, gebruikt een enkele elektronenlijn die begint bij een elektroneninjector aan het begin van het laatste derde deel van de originele koperen versneller van de linac en eindigt net voorbij de LCLS-undulator - een reeks magneten die de energie van de elektronen omzet in ultraheldere röntgenstralen.

Maar de toekomstige voorziening heeft meer verbindingen nodig. Naast de koperlinac, LCLS-II zal een supergeleidende versneller hebben die de afvuursnelheid van de röntgenlaser zal verhogen tot wel een miljoen pulsen per seconde. De huidige undulator zal ook worden vervangen door twee state-of-the-art undulatoren voor het genereren van lage (zachte) en hoge energie (harde) röntgenstralen. De BSY-herconfiguratie zorgt ervoor dat beide elektronenbundels in beide undulatoren kunnen worden ingevoerd, waarvoor vier hoofdlijnen nodig zijn.

Om onderzoekers van LCLS-II controle te geven over de snelheid van röntgenpulsen in hun experimenten, een andere lijn kan elektronentreinen die van de supergeleidende linac komen in een bundeldump sturen voordat ze de undulatoren bereiken.

Een zesde lijn leidt naar End Station A voor experimenten die de extreem krachtige elektronenbundels direct gebruiken.

SLAC werktuigbouwkundig ingenieur en systeemmanager Jose Chan en zijn team hebben de LCLS-II-bundellijn ontworpen die door het herconfiguratiegebied van BSY loopt, inclusief een vacuümkamer die de LCLS-II supergeleidende linac verbindt met de bundellijn van de koperen linac die momenteel wordt gebruikt voor de harde röntgenundulatoren.

Een monumentale schoonmaakoperatie

Om het pad vrij te maken voor LCLS-II, bemanningen moesten eerst alle onnodige materialen uit de BSY verwijderen - een monumentale taak gezien de rijke geschiedenis van SLAC op het gebied van acceleratorwetenschap en het oude materiaal dat het creëerde.

"Als experimenten eindigen, de meeste oude apparatuur blijft meestal op zijn plaats, " zegt Mark Woodley van SLAC, een optica-ontwerper die betrokken is bij het BSY-herconfiguratieproject. "Alleen de dingen die nieuwe experimenten in de weg staan, worden eruit gehaald."

In de beginjaren van de jaren zestig, de linac leverde elektronenstralen aan drie experimentele stations. Er was één lijn die rechtstreeks naar de onderzoekstuin van het lab ging. Vandaag loopt deze lijn door naar de LCLS-undulator. Gepulseerde magneten in de BSY zouden de straal kunnen omleiden naar eindstations A en B via twee straallijnen die aftakken van de centrale lijn.

1980, er werden nog twee takken toegevoegd om elektronen en positronen te voeden, de antideeltjes broers en zussen van elektronen, in de twee opslagringen van de PEP-versneller (PEP-II uit 1999). In 1987, nog twee takken waren nodig om balken te leveren aan de twee armen van de Stanford Linear Collider (SLC).

De meeste oude materialen die door deze experimenten in de BSY zijn achtergelaten, zijn nu opgeruimd - een klus die 300 werknemers en bijna 24 onderaannemers kostte, 000 werkuren in de periode van december 2016 tot mei 2017. Ze verwijderden 325 kubieke meter, of ongeveer 24 ton, materiaal – genoeg om acht zee-land zeecontainers te vullen – en meer dan 300, 000 meter kabels.

"Gezien de monumentale taak die voor ons lag, het is echt indrukwekkend hoe goed dit project ging, ", zegt DeBarger. "Er waren veel mensen van binnen en buiten het lab bij betrokken, en elk van hen was absoluut nodig."

Bouwen aan de toekomst van röntgenwetenschap

Na het opruimen van de BSY, leden van het herconfiguratieproject hebben een nieuwe bundellijn geïnstalleerd die loopt van de koperen linac naar de huidige LCLS-undulator. parallel, het systeem om elektronen te extraheren voor de eindstation A-lijn is door een ander projectteam opgezet.

"We hebben ook de allereerste LCLS-II-straalpijp geïnstalleerd aan het einde van een 'muon-schild' dat is opgebouwd uit stalen blokken van 5 en 10 ton en de straaltransporthal stroomafwaarts van de BSY afschermt, toegang verlenen terwijl de stralen zijn afgestemd in de BSY, " zegt decaan Hanquist, controle accountmanager in het team van Chan.

"Uiteindelijk, we moesten ervoor zorgen dat alles weer goed werkt voor LCLS, die nu zijn experimentele programma heeft hervat, " zegt BSY-gebiedsfysicus Tonee Smith. "Bijvoorbeeld, alle magneten die in de bundellijn werden gebruikt om de elektronenbundel te focussen en kleine correcties aan te brengen, zijn opgeknapt, en we moesten ze opnieuw meten en testen."

De resterende bundellijnen en knooppunten zullen worden geïnstalleerd tijdens een jaarlange LCLS-downtime, die in de zomer van 2018 van start gaat. Eenmaal voltooid, het nieuwe BSY "metrosysteem" zal klaar zijn om elektronentreinen naar de nieuwe röntgenlaserfaciliteit te transporteren, waar ze de komende jaren baanbrekende röntgenwetenschap zullen aandrijven.