Een gebied dat bekend staat om zijn hightech-gadgets en innovatie, zal binnenkort de thuisbasis zijn van een geavanceerde supergeleidende röntgenlaser met een lengte van 3 mijl, gebouwd door een samenwerking van nationale laboratoria. Op 19 januari, het eerste deel van de nieuwe versneller van de machine arriveerde per vrachtwagen bij SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park na een langlaufreis die begon in Batavia, Illinois, bij Fermi National Accelerator Laboratory.

Deze 40 meter lange secties, genaamd cryomodules, zijn bouwstenen voor een belangrijke upgrade genaamd LCLS-II die de prestaties van de röntgenvrije-elektronenlaser van het laboratorium zal versterken, de Linac coherente lichtbron (LCLS).

"Het vergde jarenlange inspanning van grote teams van ingenieurs en wetenschappers in de Verenigde Staten en over de hele wereld om de komst van de eerste cryomodule bij SLAC te realiseren, " zegt John Galayda, SLAC's projectdirecteur voor LCLS-II. "En het is een belangrijke stap voorwaarts bij het bouwen van deze innovatieve machine."

Binnen de cryomodules, snaren van superkoude niobiumholten zullen worden gevuld met elektrische velden die elektronen versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Met deze supergeleidende technologie kan LCLS-II röntgenstralen afvuren die, gemiddeld, 10, 000 keer helderder dan LCLS in pulsen die tot een miljoen keer per seconde aankomen.

Met deze nieuwe functies, wetenschappers hebben ambitieuze onderzoeksdoelen:de details van complexe materialen onderzoeken met een ongeëvenaarde resolutie, onthullen zeldzame en voorbijgaande chemische gebeurtenissen, bestuderen hoe biologische moleculen de functies van het leven vervullen, en tuur in de vreemde wereld van de kwantummechanica door rechtstreeks de interne bewegingen van individuele atomen en moleculen te meten.

Fermi National Accelerator Laboratory bouwt de helft van de cryomodules voor de LCLS-II laserupgrade, en Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Newport News, Virginia, bouwt de andere helft. Fermilab, Jefferson Lab en SLAC zijn laboratoria van het Department of Energy (DOE) Office of Science.

Na het construeren van de cryomodules, Fermilab en Jefferson Lab testen elk uitgebreid voordat de schepen worden verpakt en per vrachtwagen worden verzonden. Hun nieuwe thuis in Californië wordt de tunnel die vroeger werd ingenomen door een deel van de 2 mijl lange versneller van SLAC, bevindt zich 30 voet onder de grond. Als eerbetoon aan hun bestemming in de Bay Area, de cryomodules zijn "internationaal oranje" geverfd om bij de Golden Gate Bridge te passen.

Een superkoel koelsysteem

SLAC-ingenieurs en hun partners bouwen een cryoplant-koelkast - een krachtige koelinstallatie die de compressoren zal bevatten, pompen en helium nodig om het gaspedaal op 2 graden Celsius boven het absolute nulpunt te houden (of min 456 graden Fahrenheit), ongeveer dezelfde temperatuur als de ruimte.

Bij deze lage temperaturen de versneller wordt wat bekend staat als supergeleidend, in staat om elektronen te stimuleren tot hoge energieën met minimaal energieverlies terwijl ze door de holtes reizen. Tegen de tijd dat de elektronen door alle 37 cryomodules zijn gegaan, ze reizen met bijna de snelheid van het licht.

Zodra de elektronen zulke hoge snelheden bereiken, ze gaan door een reeks sterke magneten, undulatoren genoemd, die de elektronenstraal heen en weer kaatsen om een ​​röntgenlaserstraal te genereren die veel helderder is dan de huidige LCLS, van 120 pulsen per seconde naar 1 miljoen pulsen per seconde - veel verder dan enige andere faciliteit ter wereld.

Hoe een supergeleidende versneller werkt

De segmenten van de nieuwe versneller bij SLAC zijn gebaseerd op wat supergeleidende radiofrequentietechnologie wordt genoemd. Bovengronds opgewekte microgolfenergie wordt via buizen, golfgeleiders genoemd, naar de ondergrondse cryomodules gevoerd. Daar, de microgolven voeden een oscillerend elektrisch veld dat resoneert in niobiumholten en uiteindelijk sterker wordt tot een zeer hoge spanning.

Wanneer de oscillerende spanning in elke holte wordt getimed op het ritme van elektronenbundels die door de holtes gaan, de elektronen krijgen een energiestoot en versnellen.

"Als een stemvork - een ander type resonator - dezelfde prestatiekwaliteit had als een van deze supergeleidende holtes, het zou meer dan een jaar rinkelen, " zegt Marc Ross, een SLAC-versnellerfysicus die de ontwikkeling van de cryomodules leidt. "Supergeleiding zorgt ervoor dat de holtes de elektronen in een stabiele, continue golf zonder onderbreking, en met een extreem hoog rendement."

Het element niobium is een veelgebruikt materiaal voor supergeleiders, en de holtes zijn gemaakt met een extreem zuivere versie om elk elektrisch verlies te minimaliseren. Acht niobiumholtes zijn aan elkaar vastgeschroefd in een string in elke cryomodule. Ze zijn samengesteld als "een schip in een fles, " zegt Ross. De holtes zijn omgeven door drie geneste lagen koelapparatuur, waarbij elke volgende laag de temperatuur verlaagt totdat deze bijna het absolute nulpunt bereikt.

De volgende generatie röntgenlasers

Het systeem dat de holtes koud houdt, is gebruikt om magneten te koelen die deeltjes in botsers sturen, waaronder de Large Hadron Collider bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) en Fermilab's Tevatron.

Cryomodules met supergeleidende radiofrequentieholtes versnellen elektronen die röntgenstralen genereren met de onlangs in gebruik genomen Europese röntgenvrije-elektronenlaser. Ingenieurs van Fermilab en Jefferson Lab hebben het ontwerp van die cryomodules aangepast om de apparatuur voor LCLS-II aan te passen. Ze verbeterden ook de kwaliteit van de holtes aanzienlijk door middel van een techniek die stikstofdoping wordt genoemd, waardoor holtes ontstaan ​​die bij de koudste temperaturen minder warmte genereren. Deze aanpassingen verminderen het energieverlies en maken een veel helderdere laser mogelijk. LCLS-II zal de eerste grootschalige implementatie zijn van deze nieuwste technische ontwikkelingen.

Voor LCLS-II, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, met belangrijke ontwerpbijdragen van Argonne National Laboratory, creëerde ook een nieuw geavanceerd "elektronenkanon" om elektronen in de versneller te injecteren en gespecialiseerde undulatoren om de röntgenstralen te genereren.

Nieuwe wetenschappelijke mogelijkheden

Met meer frequente pulsen, met de verbeterde laser kunnen wetenschappers meer gegevens verzamelen in minder tijd. Dit vergroot het aantal experimenten dat kan worden uitgevoerd en maakt nieuwe soorten onderzoek mogelijk die voorheen ondenkbaar waren.

"Binnen een paar uur LCLS-II zal in staat zijn om meer röntgenpulsen te produceren dan de huidige laser tot nu toe in zijn hele operaties heeft geleverd, " zegt Mike Dunne, directeur van LCL. "Gegevens die nu een maand nodig hebben om te verzamelen, kunnen in een paar minuten worden geproduceerd."

Frequentere pulsen vergroten ook de kans dat wetenschappers, bijvoorbeeld, observeren zeldzame gebeurtenissen die plaatsvinden tijdens chemische reacties of in delicate biologische moleculen in hun natuurlijke omgeving. De supergeleidende versneller in aanbouw zal parallel werken met de originele. De twee laserstralen zullen geheel nieuwe soorten studies van de kwantumwereld openen, het informeren van de ontwikkeling van materialen met nieuwe eigenschappen.

De resterende 36 cryomodules zullen naar verwachting in de komende 18 maanden bij SLAC aankomen. De bouw voor LCLS-II begon vorig jaar. De DOE-gebruikersfaciliteit zal begin 2020 opengaan voor onderzoekers van over de hele wereld met de beste ideeën voor experimenten.

Lees meer over wetenschappelijke mogelijkheden met LCLS-II.

Toen en nu

SLAC heeft een geschiedenis van grote projecten sinds de geboorte van het lab, meer dan vijf decennia geleden. "Project M" (voor "Monster"), de bouw van een deeltjesversneller die 2 mijl lang is, stelde wetenschappers in staat om de bouwstenen van het universum te bestuderen. Deze lineaire versneller was de langste ooit gebouwd.

In 2009, het lab heeft een derde van de originele koperen versneller uit de jaren 60 opnieuw gebruikt om een ​​elektronenstraal in LCLS te voeden, de eerste laser in zijn soort die snelle pulsen van "harde" of hoogenergetische röntgenstralen produceert voor innovatieve beeldvormingsexperimenten. Nog een derde van die oorspronkelijke koperen linac is nu vrijgemaakt om plaats te maken voor de komst van de nieuwe supergeleidende cryomodules.