Een uniek röntgeninstrument voor grensverleggend onderzoek met röntgenstralen met een hoge helderheid is nu in gebruik in het Argonne National Laboratory. Het nieuwe apparaat maakt gebruik van een unieke supergeleidende technologie die elektronen versnelt op een pad dat lijkt op dat van een achtbaan.

Het inbrengapparaat (ID), een zogenaamde Helical Superconducting Undulator (HSCU), is ontworpen bij de Advanced Photon Source (APS), een US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility bij DOE's Argonne National Laboratory. Het apparaat heeft drie belangrijke voordelen ten opzichte van andere soorten ID's voor het produceren van zeer heldere röntgenstralen:(1) het genereert een sterker magnetisch veld dan andere ID's; (2) het stelt onderzoekers in staat om een ​​enkele energie uit de röntgenstraal te selecteren zonder röntgenoptica te gebruiken; en (3) het produceert een röntgenstraal met circulaire polarisatie. Argonne ontwikkelde de spiraalvormige undulator met $ 2 miljoen aan financiering van het DOE Office of Science.

Bij elkaar genomen, deze voordelen zijn interessant voor onderzoekers omdat het apparaat hen in staat stelt sneller en schoner gegevens te verzamelen dan met andere apparaten, omdat de HSCU geen extra optica nodig heeft om experimenten uit te voeren.

Een typische ID is een reeks krachtige periodieke magnetische structuren die een hoge helderheid, voorwaarts gerichte synchrotronstralingsemissie door een opgeslagen geladen deeltjesbundel (elektronen bij de APS) te dwingen wiebelen of golvingen uit te voeren wanneer ze door het apparaat gaan. De HSCU is de nieuwste in een twee decennia lange reeks innovatieve ID's die zijn ontworpen en geleverd door wetenschappers en ingenieurs van Argonne voor de APS en andere DOE-synchrotron-röntgenfaciliteiten.

Een spiraalvormige supergeleidende undulator is een zeer uitdagend apparaat om te integreren in een werkende elektronenopslagring, zoals die bij de APS, omdat het sterke beperkingen met zich meebrengt voor het hanteren van de elektronenbundel in de opslagring. Het kan storingen veroorzaken in ringoperaties en, Vandaar, bij de levering van röntgenfoto's aan wachtende onderzoekers. Het ingenieuze mechanische en magnetische ontwerp van de HSCU-spoelgeometrie, ontwikkeld door APS-ingenieurs en natuurkundigen, zorgt ervoor dat de stabiele werking van de APS-opslagring niet wordt verstoord. Onderzoekers weten alleen dat de HSCU er is vanwege de röntgenstralen die hij afgeeft.

Efim Gluskin, een Argonne Distinguished Fellow en voormalig APS Division Director die vanaf het begin het undulator-programma bij de APS heeft geleid, vergeleek de beweging van de elektronenbundel in de HSCU met de lusbeweging van een oprollende achtbaan zoals de X Flight-rit in het pretpark Six Flags Great America in de buurt van Chicago. Terwijl elektronen door het magnetisch veld van het apparaat kronkelen, ze genereren de circulair gepolariseerde straling.

Maar om de spiraalbewegingen van elektronen te forceren, er moest een speciale magneet worden gebouwd met een sterk spiraalvormig magnetisch veld. Dat doel werd bereikt door supergeleidende draden om een ​​kurkentrekkervormig stuk ijzer te wikkelen. Het eindresultaat is een 1,1 meter lange supergeleidende elektromagneet met veel spiraalvormige afwisselende noord-zuid magnetische polen; deze magnetische polen, wanneer de HSCU wordt geactiveerd, zijn wat de elektronen op hun spiraalvormige pad stuurt.

De HSCU biedt onderzoekers een intensere röntgenstraal die snellere data-acquisitie mogelijk maakt dan conventionele undulatoren, op tijdschalen van een miljardste van een seconde. En net als conventionele golvingers, het nieuwe type undulator kan onderzoek naar een reeks complexe fenomenen mogelijk maken, inclusief de evoluerende dynamiek van complexe vloeistofstromen en het magnetisme van metalen.

Bij gebruik van conventionele golvingers, wetenschappers moeten een extra apparaat gebruiken dat is uitgerust met optische röntgencomponenten, monochromators genaamd, om hun voorkeursenergie van de röntgenstraal te selecteren. Maar de HSCU levert onmiddellijk een monochromatische röntgenstraal rechtstreeks van de undulator naar het bestudeerde monster zonder de hulp van een monochromator. Dit zorgt niet alleen voor een intensere straal, maar ook een meer coherente (of perfecte) bundel, aangezien elke optiek kleine onvolkomenheden zal hebben die ongewenste vervormingen in de röntgenbundel kunnen introduceren. En daarbovenop, het vermogen om circulair gepolariseerde straling te produceren is belangrijk, aangezien circulair licht gevoelig is voor eigenschappen van een materiaal zoals magnetisme en moleculaire chiraliteit - of handigheid - dat lineair of ongepolariseerd licht niet kan zien.

De nieuwe undulator begon op 19 januari te werken bij de Sector 7-ID röntgenstraallijn van de APS, 2018. Deze bundellijn, die wordt beheerd door de Argonne X-ray Science Division, is toegewijd aan ultrasnelle tijdsopgeloste metingen van materialen. Wetenschappers zijn van plan het nieuwe apparaat te gebruiken om de dynamiek van brandstofinjectie te bestuderen; een beter begrip van dat proces kan leiden tot zuinigere motorvoertuigen.

"Ze kunnen deze straal rechtstreeks van de undulator halen en een standaard afbeeldingsexperiment doen, alsof u een röntgenfoto zou laten maken in een spreekkamer of een tandheelkundige faciliteit. Maar je kunt het hier heel snel doen, " met tussenpozen van een miljardste van een seconde, zei Jonathan Lang, directeur van de afdeling X-ray Science van het APS.

Een andere techniek die baat zal hebben bij de nieuwe undulator is röntgenfotoncorrelatiespectroscopie. Deze techniek is het röntgenequivalent van het schijnen van een laserpointer tegen een muur; de plek die het genereert lijkt te glinsteren, het resultaat van intensiteitsvariaties. "Dat komt door de ruwheid van de muur, ' zei Lang.

Als die ruwheid miljoenen keren per seconde zou veranderen, wetenschappers zouden de overeenkomstige verandering in het interferentiepatroon van de muur kunnen detecteren met behulp van röntgenfotoncorrelatiespectroscopie. De enkele golflengte die door de nieuwe undulator wordt geleverd, stelt onderzoekers in staat om te kijken hoe materialen evolueren op nog snellere tijdschalen dan voorheen mogelijk was. "Door naar de röntgenstralen te kijken en hoe ze zich verspreiden en flikkeren, we kunnen zien hoe moleculen in het materiaal bewegen en op welke tijdschalen ze bewegen, ' zei Lang.

De nieuwe undulator zal ook fasecontrastbeeldvorming uitvoeren om bepaalde aspecten van de bestudeerde fenomenen te benadrukken, zoals dieselbrandstof die is samengesteld uit verschillende lichte elementen die koolwaterstoffen worden genoemd. Fasecontrastbeeldvorming kan het contrast tussen de koolwaterstoffen en de lucht tijdens experimenten verbeteren, onderzoekers structuren laten zien die niet kunnen worden waargenomen met conventionele röntgenbeeldvorming, die alleen variaties in dichtheid vertoont. Bijvoorbeeld, Röntgenfoto's die in het kantoor van een dokter zijn gemaakt, laten bot duidelijker zien dan het veel lichtere zachte weefsel.

Gluskin verwacht dat de nieuwe supergeleidende undulatoren een veelgebruikt hulpmiddel zullen worden voor toekomstige lichtbronnen en vrije-elektronenlasers, omdat ze beter presteren dan bestaande permanentmagneet-undulatoren bij het leveren van heldere röntgenstralen voor een breed energiebereik. En met name de HSCU opent de deur voor de volgende generatie compactere en kostenbesparende vrije-elektronenlasers.

Supergeleidende undulatortechnologie is ook essentieel voor de APS-upgrade. De upgrade zal onderzoekers uitrusten met een faciliteit van de volgende generatie om de atomaire en moleculaire structuur en functie nauwkeuriger te onderzoeken, het wereldwijde leiderschap van de VS op het gebied van harde röntgenwetenschap (korte golflengte) en technologisch onderzoek voor de komende decennia uitbreiden.

"De spiraalvormige supergeleidende undulator stelt ons in staat enkele technieken uit te proberen die we in de upgrade willen doen, ' zei Lang.