Iets meer dan tien jaar geleden, in april 2009, 's werelds eerste harde röntgenvrije-elektronenlaser (XFEL) produceerde zijn eerste licht in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. De Linac Coherent Light Source (LCLS) genereerde röntgenpulsen die een miljard keer helderder zijn dan alles wat eerder was gekomen. Vanaf dat moment, zijn prestaties hebben fundamentele nieuwe inzichten mogelijk gemaakt op een aantal wetenschappelijke gebieden, van het maken van "moleculaire films" van chemie in actie tot het bestuderen van de structuur en beweging van eiwitten voor nieuwe generaties geneesmiddelen en het repliceren van de processen die "diamantenregen" creëren binnen gigantische planeten in ons zonnestelsel.

De volgende grote stap op dit gebied is in 2013 in gang gezet. lancering van het LCLS-II-upgradeproject om het vermogen van de röntgenlaser duizenden keren te vergroten, produceren een miljoen pulsen per seconde vergeleken met 120 per seconde vandaag. Deze upgrade moet binnen de komende twee jaar worden voltooid, en het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het DOE behoort tot een groep medewerkers die een belangrijke bijdrage hebben geleverd.

Vandaag, de eerste fase van de upgrade in werking is getreden, voor het eerst een röntgenstraal produceren met behulp van een cruciaal element van de nieuw geïnstalleerde apparatuur.

"Het LCLS-II-project vertegenwoordigt de gecombineerde inspanning van vijf nationale laboratoria uit de hele VS, samen met vele collega's uit de universitaire gemeenschap en DOE, " zei Chi-Chang Kao, directeur van SLA. "Het succes van vandaag weerspiegelt de enorme waarde van voortdurende partnerschappen en samenwerking die ons in staat stellen om unieke, toonaangevende tools en mogelijkheden te bouwen."

XFEL's werken in een proces in twee stappen. Eerst, ze versnellen een krachtige elektronenstraal tot bijna de lichtsnelheid. Vervolgens laten ze deze straal door een prachtig afgestemde reeks magneten in een apparaat dat bekend staat als een undulator, die de elektronenenergie omzet in intense uitbarstingen van röntgenstralen. De bursts zijn slechts een miljoenste van een miljardste van een seconde lang - zo kort dat ze de geboorte van een chemische binding kunnen vastleggen en beelden kunnen produceren met atomaire resolutie.

Het LCLS-II-project zal beide elementen van de faciliteit transformeren - door een geheel nieuwe versneller te installeren die cryogene supergeleidende technologie gebruikt om de ongekende herhalingssnelheid in een vrije-elektronenlaser te bereiken, samen met golvingen die uitstekende controle over de röntgenstraal kunnen bieden.

Naast het toezicht houden op de bouw en levering van alle "harde, " of röntgenundulatorsegmenten met hogere energie die de nieuwste mijlpaal mogelijk maakten, Berkeley Lab levert ook verschillende andere bijdragen aan het LCLS-II-project.

Berkeley Lab heeft de constructie en levering van de undulatoren voor de "zachte" röntgenbundellijn met lagere energie ontworpen en begeleid; ontworpen, gebouwd, en leverde de hoge-helderheidsinjectorbron die de elektronenstraal levert; en leidt samen de ontwikkeling van hardware en software voor het low-level radiofrequency (LLRF) besturingssysteem dat helpt bij het besturen van de supergeleidende versneller die deel uitmaakt van de zachte röntgenlijn. En Berkeley Lab verwacht een rol in het LCLS-II High Energy upgrade-project, wat de elektronenenergie van de harde röntgenversneller zal verdubbelen.

Krachtig en nauwkeurig

In de afgelopen 18 maanden, de originele LCLS-undulator werd verwijderd en vervangen door twee nieuwe systemen die dramatische nieuwe mogelijkheden bieden. Elk van deze golvende lijnen bevat duizenden permanente magneten en strekt zich uit over 100 meter; samen creëren ze magnetische velden die tienduizenden keren sterker zijn dan die van de aarde. Dit genereert krachten die gelijk zijn aan een paar tonnen gewicht, terwijl de stijfheid van de structuur die de magneten vasthoudt binnen een honderdste van de breedte van een mensenhaar behouden blijft.

De nieuwe harde röntgenundulatoren werden geprototypeerd door DOE's Argonne National Laboratory, ontworpen door de laboratoria van Argonne en Berkeley, gebouwd door Berkeley Lab, en zijn het afgelopen jaar bij SLAC geïnstalleerd. Zachte en harde röntgenstralen kunnen verschillende soorten monsters en eigenschappen onderzoeken. De LCLS-II zachte röntgenundulator, aangedreven door de supergeleidende versneller, is nog niet getest.

Vandaag, het harde röntgensysteem demonstreerde zijn prestaties in gereedheid voor de experimentele campagnes die voor ons liggen. Wetenschappers in de SLAC Accelerator Control Room stuurden de elektronenstraal van de bestaande LCLS-versneller door de reeks magneten in de undulator.

In de loop van slechts een paar uur, ze produceerden het eerste teken van röntgenstralen, en vervolgens de configuratie nauwkeurig afgesteld om volledige röntgenlaserprestaties te bereiken met de beschikbare undulatorsegmenten. De meeste harde röntgenundulatorsegmenten zijn geïnstalleerd, en de resterende segmenten zijn gepland voor levering en installatie in de komende maand.

"Het eerste licht bereiken is een mijlpaal waar we allemaal naar hebben uitgekeken, zei Henrik von der Lippe, Engineering Division-directeur bij Berkeley Lab. "Deze mijlpaal laat zien hoe al het harde werk en de samenwerking heeft geresulteerd in een wetenschappelijke faciliteit die nieuwe wetenschap mogelijk maakt."

Hij voegde toe, "Berkeley Lab's bijdrage aan het ontwerp en de fabricage van harde röntgenundulatoren maakte gebruik van onze ervaring met het leveren van goltoren aan wetenschappelijke faciliteiten en onze langdurige kracht in mechanisch ontwerp. Het is de moeite waard om de vruchten te zien van jarenlange toegewijde Engineering Division-teams die apparaten leveren die aan alle verwachtingen."

Thomas Schenkel, interim-directeur van de Accelerator Technology and Applied Physics Division van Berkeley Lab, zei, "Dit is een goed voorbeeld van hoe onze wetenschappelijke basis en technische expertise samenkomen." Hij voegde toe, "Het Lab heeft tientallen jaren ervaring met het ontwerpen en bouwen van enkele van de meest geavanceerde undulatoren van hun tijd, en we kijken ernaar uit om op deze manier een bijdrage te blijven leveren aan het DOE-onderzoekscomplex."

De wetenschappelijke impact van de nieuwe golvingers zal aanzienlijk zijn. Een grote vooruitgang is dat de scheiding tussen de magneten op aanvraag kan worden gewijzigd, waardoor de golflengte van de uitgezonden röntgenstralen kan worden afgestemd op de behoeften van experimenten. Onderzoekers kunnen dit gebruiken om het gedrag van geselecteerde atomen in een molecuul te bepalen, wat onder andere ons vermogen zal verbeteren om de stroom en opslag van energie voor geavanceerde zonne-energietoepassingen te volgen.

De vandaag gedemonstreerde undulator zal in staat zijn de maximale röntgenstralingsenergie van de LCLS te verdubbelen. Dit zal veel nauwkeuriger inzicht verschaffen in hoe materialen reageren op extreme stress op atomair niveau en in het ontstaan ​​van nieuwe kwantumfenomenen.

De "noedel":een unieke, uitdagend undulatorontwerp

De voltooide harde röntgenundulator zal 32 segmenten hebben. Elk segment weegt 2,3 ton en is ongeveer 13 voet lang. Het ontwerp van de harde röntgenundulatorsegmenten is uniek omdat het in wezen het traditionele ontwerp van de undulator 90 graden draait, die ook unieke technische uitdagingen met zich meebracht.

Om in de undulatortunnel bij SLAC te passen, de undulator-segmenten moesten veel dunner zijn dan normaal - ingenieurs van Berkeley Lab noemden het ontwerp de 'noodle'. Dit ontwerp maakte ook de stalen steun, of sterke rug, met de vele magneten in elk unduulatorsegment die meer onderhevig zijn aan ongewenste buiging vanwege de ongeveer 4 ton magnetische kracht die ze moeten weerstaan.

De unieke, Het geroteerde ontwerp van de undulatoren vereiste een reeks van ongeveer 150 veren per undulatorsegment die nauwkeurig kunnen worden afgesteld om de honderden magneten op één lijn te houden.

Maar zelfs kleine temperatuurveranderingen, en eenvoudige bewerkingen zoals het vastschroeven van nieuwe componenten, de ondersteuningsstructuren van de sterke rug veranderden verder dan was toegestaan ​​- de apparaten moesten recht blijven tot op 10 miljoenste van een meter.

Dus het vroege ontwerp van de segmenten moest volledig worden heroverwogen, zei Matthaeus Leitner, Berkeley Lab's hoofdingenieur voor de LCLS-II-undulatoren.

"Lange tijd hadden we niet echt een oplossing, "Zei Leitner. "We moesten eigenlijk elk afzonderlijk onderdeel van het apparaat veranderen. Dit was een teaminspanning van zeer bekwame ingenieurs en technici."

John Corlett, die als senior teamleider van Berkeley Lab in het LCLS-II-project heeft gediend en nu Lab Project Management Officer is, zei, "Dit was een zeer uitdagend werktuigbouwkundig probleem. Het was een samenwerking tussen SLAC, Berkeley, en Argonne-labs werken samen. We hebben een aantal workshops gegeven, en we werkten samen om problemen op te lossen. Het is fantastisch dat we hierin zijn geslaagd in de zeer korte tijd die het project nodig had."

Leitner heeft toegevoegd, "Een groot sterk punt bij Berkeley Lab is de reeks technische middelen. Als er een probleem opduikt, we kunnen meteen heel wat middelen inzetten om een ​​probleem op te lossen. We zouden dit schijnbaar onoverkomelijke probleem binnen een paar maanden kunnen oplossen. Dit was ongelooflijk. Het was alleen mogelijk omdat we grootschalige tooling hebben, precisie meetapparatuur, en uitstekende technische ondersteuningsapparatuur."

De ingenieurs van Berkeley Lab hebben ook veel moeite gedaan om samen te werken met en de drie leveranciers op te leiden die de undulatoren hebben vervaardigd en geassembleerd. Berkeley Lab gebruikte zijn magnetische ontwerp- en meetmogelijkheden, en ontwikkelde nauwkeurige methoden om de golvingers samen te stellen en efficiënt af te stemmen.

Het uniek geroteerde ontwerp van de harde röntgenundulatoren zal uiteindelijk de prestaties van de röntgenlaser verbeteren door meer röntgenstralen te leveren aan monsters in experimenten, merkte Leitner op. "Het geeft je een aanzienlijke boost in het beschikbare uitgangsvermogen van de harde röntgenstralen, " hij zei.

Leitner en Corlett zeiden dat het ontwerp, bekend als verticale polarisatie, zal waarschijnlijk worden overgenomen door andere röntgenvrije-elektronenlasers en lichtbronnen nu de ontwerpuitdagingen voor het vermogen zijn uitgewerkt.

"Dit is nog nooit eerder gedaan, ' zei Corlett.

Volgende stappen

Voorbij de golvingen ligt de Front End Enclosure, of KOSTEN, die een reeks optica bevat, diagnostiek, en afstemmingsapparaten die de röntgenstralen voorbereiden op specifieke experimenten. Deze omvatten 's werelds platste, gladste spiegels die een meter lang zijn, maar over hun oppervlak slechts een atoombreedte in hoogte variëren. De komende weken, deze optica zal worden getest ter voorbereiding van meer dan 80 experimenten die de komende zes maanden door onderzoekers van over de hele wereld zullen worden uitgevoerd.

"Vandaag markeert het begin van het LCLS-II-tijdperk voor röntgenwetenschap, " zei Mike Dunne, LCLS directeur. "Onze directe taak zal zijn om deze nieuwe undulator te gebruiken om de innerlijke werking van het SARS-CoV-2-virus te onderzoeken. Dan zullen de komende jaren een verbazingwekkende transformatie van onze faciliteit te zien zijn. De volgende is de zachte röntgenundulator , geoptimaliseerd voor het bestuderen van hoe energie stroomt tussen atomen en moleculen, en dus de innerlijke werking van nieuwe energietechnologieën. Verderop zal de nieuwe supergeleidende versneller zijn die ons röntgenvermogen vele duizenden keren zal vergroten."

Hij voegde toe, "De toekomst is helder, zoals we dat graag zeggen in de röntgenlaserwereld."