Ongeveer 10 jaar geleden, 's werelds krachtigste röntgenlaser - de Linac Coherent Light Source - maakte zijn debuut in het SLAC National Accelerator Laboratory. Nu de volgende revolutionaire röntgenlaser in een klasse apart, LCLS-II, is in aanbouw bij SLAC, met steun van vier andere nationale DOE-laboratoria.

Onderzoekers in de biologie, scheikunde en natuurkunde zullen LCLS-II gebruiken om fundamentele stukjes materie te onderzoeken, 3D-films maken van complexe moleculen in actie, waardoor LCLS-II een krachtige, veelzijdig instrument in de voorhoede van ontdekking.

Het project komt grotendeels tot stand dankzij een cruciale vooruitgang op het gebied van deeltjes- en kernfysica:supergeleidende versnellertechnologie. DOE's Fermilab en Thomas Jefferson National Accelerator Facility bouwen de supergeleidende modules die nodig zijn voor de acceleratorupgrade voor LCLS-II.

Een krachtig hulpmiddel voor ontdekking

Binnen de lineaire deeltjesversneller van SLAC vandaag, uitbarstingen van elektronen worden versneld tot energieën waarmee LCLS 120 röntgenpulsen per seconde kan afvuren. Deze pulsen duren biljardsten van een seconde - een tijdschaal die bekend staat als een femtoseconde - en bieden wetenschappers een flipbook-achtige kijk op moleculaire processen.

"Overuren, je kunt een moleculaire film maken van hoe verschillende systemen evolueren, " zei SLAC-wetenschapper Mike Dunne, directeur van LCL. "Dat is heel opmerkelijk gebleken, maar het heeft ook een aantal beperkingen. Dat is waar LCLS-II om de hoek komt kijken."

Met behulp van de modernste deeltjesversnellertechnologie, LCLS-II levert maar liefst een miljoen pulsen per seconde. Het voorschot geeft een meer gedetailleerd inzicht in hoe chemische, materiële en biologische systemen evolueren op een tijdschaal waarin chemische bindingen worden gemaakt en verbroken.

Om het verschil echt te begrijpen, stel je voor dat je een alien bent die de aarde bezoekt. Als je één foto per dag maakt van een stad, je zou wegen opmerken en de auto's die erop rijden, maar je kon de snelheid van de auto's niet zien of waar de auto's heen gingen. Maar om de paar seconden een momentopname te maken, zou je een zeer gedetailleerd beeld geven van hoe auto's door de wegen stromen en fenomenen zoals files onthullen. LCLS-II biedt dit soort stapsgewijze informatie die wordt toegepast op chemische, biologische en materiële processen.

Om dit detailniveau te bereiken, SLAC moet technologie implementeren die is ontwikkeld voor deeltjesfysica - supergeleidende versnellingsholten - om de LCLS-II vrije-elektronenlaser van stroom te voorzien. of XFEL.

Wetenschap versnellen

Holten zijn structuren die energie geven aan deeltjesbundels, de deeltjes erin versnellen. LCLS-II, zoals moderne deeltjesversnellers, zullen profiteren van supergeleidende radiofrequentieholtetechnologie, ook wel SRF-technologie genoemd. Wanneer afgekoeld tot 2 Kelvin, supergeleidende holtes laten elektriciteit vrij stromen, zonder enige weerstand. Zoals het verminderen van de wrijving tussen een zwaar voorwerp en de grond, minder elektrische weerstand bespaart energie, waardoor versnellers een hoger vermogen kunnen bereiken voor minder kosten.

"De SRF-technologie is een belangrijke stap voor de miljoen pulsen per seconde van de LCLS-II, Dunne zei. "Jefferson Lab en Fermilab hebben deze technologie jarenlang ontwikkeld. De kernexpertise om LCLS-II mogelijk te maken, leeft in deze laboratoria."

Fermilab heeft een cryomodule-ontwerp van DESY aangepast, in Duitsland, en speciaal de holtes voorbereid om de recordprestaties te halen uit de holtes en cryomodules die voor LCLS-II zullen worden gebruikt.

De cilindervormige cryomodules, ongeveer een meter in doorsnee, fungeren als gespecialiseerde containers voor het huisvesten van de holtes. Binnenkant, ultrakoud vloeibaar helium stroomt continu rond de holtes om ervoor te zorgen dat ze de onwrikbare 2 Kelvin behouden die essentieel is voor supergeleiding. Van begin tot eind opgesteld, 37 cryomodules zullen de LCLS-II XFEL van stroom voorzien.

Fermilab en Jefferson Lab delen de verantwoordelijkheid voor het fabriceren, testen en leveren van de cryomodules aan SLAC. Samen, de twee laboratoria zullen alle cryomodules bouwen die de holtes zullen huisvesten. Fermilab levert 19 cryomodules, en Jefferson Lab zal de andere 18 leveren. De grootste van deze cilinders bereiken een lengte van 12 meter (40 voet), ongeveer de lengte van een schoolbus. Elk lab zal ook een paar reserveonderdelen naar SLAC sturen.

De holtes en hun cryomodules vertegenwoordigen doorbraken in SRF-technologie, het leveren van hoogenergetische stralen veel efficiënter dan voorheen mogelijk was. Onderzoekers hebben SRF-holten verbeterd om recordgradiënten te bereiken, een maat voor hoe snel een straal een bepaalde energie kan bereiken. De holtes hebben onlangs ook een ongekend resultaat behaald in hun energie-efficiëntie, verdubbeling van het vorige state-of-the-art ontwerp terwijl de kosten worden verlaagd.

De wetenschappers en ingenieurs waren nauwgezet bij het ontwikkelen van de acceleratorcomponenten van de LCLS-II. Bijvoorbeeld, om de cryomodules en holtes te maken, Fermilab gebruikte apparatuur voor het detecteren van aardbevingen om te bepalen of trillingen die de effectiviteit van de holtes beïnvloeden, intern of extern waren. Toen ze de oorzaak hadden gevonden, ze veranderden de configuratie van de vloeibaar-heliumbuizen om die trillingen te verminderen.

Fermilab en Jefferson Lab zullen ook wetenschappers en ingenieurs sturen om SLAC te helpen wanneer LCLS-II de cryomodules voor het eerst opstart.

Jefferson Lab levert ook het ontwerp en de aanschaf van de cryogene koelinstallaties die het vloeibare helium leveren om de SRF-holtes te koelen tot 2 Kelvin, terwijl Fermilab het ontwerp en de inkoop van componenten levert voor de cryogene distributiesystemen die het vloeibare helium van deze fabrieken naar de cryomodules verplaatsen. Berkeley Lab en Argonne National Laboratory leveren ook componenten voor LCLS-II, inclusief de bron die de elektronenstraal levert en de magneten die de straal in de golfachtige beweging dwingen die het röntgenlicht creëert. Cornell University ondersteunde de R&D voor LCLS-II-caviteitenprototypes en hielp bij het verwerken van de caviteiten.

"We zitten allemaal in hetzelfde schuitje, " zei Rich Stanek, LCLS-II Fermilab senior teamleider. "Deze nauwe samenwerking van nationale laboratoria is een goed voorteken voor toekomstige projecten. Het heeft voordelen naast het project zelf."

Die voordelen hebben LCLS-II tot een van de projecten met de hoogste prioriteit voor DOE's Office of Science gemaakt en gaan verder dan de belangen van de partnerlaboratoria. LCLS-II zal naar verwachting voortbouwen op zijn voorloper, nog dieper duiken in gebieden variërend van biologie en scheikunde tot materiaalwetenschap en astrofysica.

Openstaan, diep duiken

Erik Isaaks, de voorzitter van de Carnegie Institution for Science en voorzitter van de SLAC Scientific Policy Committee, heeft al een aantal voorstellen voor LCLS-II beoordeeld.

"Er zijn een aantal processen die plaatsvinden op zeer korte tijdschalen, "Isaak zei, een fysicus van de gecondenseerde materie van opleiding. "En LCLS-II opent hele nieuwe gebieden van de wetenschappen om te bestuderen."

Eén zo'n vraag zal de röntgenlaser gebruiken om materiaal te onderzoeken onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met het centrum van onze planeet en inzicht te krijgen in hoe de aarde is gevormd. Astrofysici zouden die informatie dan kunnen aanpassen voor hun zoektocht naar leven op exoplaneten.

Met LCLS-II, wetenschappers zullen fotosynthese op een dieper niveau dan ooit tevoren kunnen bestuderen. De hoop is dat mensen op een dag in staat zullen zijn om fotosynthese te reverse-engineeren en een nieuw biologisch hulpmiddel te gebruiken voor het opwekken van energie.

Een van de manieren waarop LCLS-II onderzoek in de biologie vooruit zal helpen, is door eiwitten en enzymen in kaart te brengen in omstandigheden die lijken op hun normale omgeving. Dit diepere begrip zal de weg vrijmaken voor wetenschappers om betere medicijnen te maken.

Wetenschappers zijn ook van plan LCLS-II te gebruiken om supergeleiders te onderzoeken, waardoor het gebruik van versnellertechnologie door de machine de cirkel rond is. Huidige supergeleiders worden beperkt door hun behoefte aan specifieke, lage temperaturen. Door het atomaire fenomeen van supergeleiding te begrijpen, onderzoekers kunnen mogelijk een supergeleider op kamertemperatuur maken.

"Deeltjes- en kernfysica hebben de supergeleidende technologieën en mogelijkheden ontwikkeld die LCLS-II zal gebruiken, " zei Isaacs. "Deze vooruitgang zal LCLS-II in staat stellen enkele van de belangrijkste vragen in vele takken van wetenschap te bekijken."

Zoals bij elke grote vooruitgang, de ware transformatieve kracht van LCLS-II zal worden onthuld zodra de röntgenstralen voor het eerst een monster belichten. Het is de bedoeling dat LCLS-II in 2021 wordt opgestart.