Met een krachtig genoeg licht, je kunt dingen zien waarvan mensen ooit dachten dat ze onmogelijk zouden zijn. Grootschalige lichtbronfaciliteiten genereren dat krachtige licht, en wetenschappers gebruiken het om duurzamere materialen te maken, efficiëntere batterijen en computers bouwen, en leer meer over de natuurlijke wereld.

Als het gaat om het bouwen van deze enorme faciliteiten, ruimte is geld. Als je lichtstralen met hogere energie uit kleinere apparaten kunt halen, u kunt miljoenen besparen op bouwkosten. Voeg daarbij de kans om de mogelijkheden van bestaande lichtbronnen aanzienlijk te verbeteren, en je hebt de motivatie achter een project dat wetenschappers van drie nationale laboratoria van het Amerikaanse Department of Energy bij elkaar heeft gebracht.

Dit team heeft zojuist een belangrijke mijlpaal bereikt waar al meer dan 15 jaar aan gewerkt wordt:ze hebben ontworpen, een nieuwe state-of-the-art half meter lange prototype magneet gebouwd en volledig getest die voldoet aan de eisen voor gebruik in bestaande en toekomstige lichtbron faciliteiten.

De volgende stap, volgens Efim Gluskin, een voorname fellow bij DOE's Argonne National Laboratory, is om dit prototype op te schalen, bouw er een die meer dan een meter lang is, en installeer het bij de Advanced Photon Source, een DOE Office of Science User Facility in Argonne. Maar hoewel deze magneten compatibel zijn met lichtbronnen zoals de APS, de echte investering hier, hij zei, bevindt zich in de volgende generatie faciliteiten die nog niet zijn gebouwd.

"De echte schaal van deze technologie is voor toekomstige vrije-elektronenlaserfaciliteiten, " zei Gluskin. "Als je het apparaat kleiner maakt, je verkleint de tunnel, en als je dat kunt doen, kun je tientallen miljoenen dollars besparen. Dat maakt een enorm verschil."

Dat langetermijndoel bracht Gluskin en zijn Argonne-collega's in samenwerking met wetenschappers van Lawrence Berkeley National Laboratory en Fermi National Accelerator Laboratory, beide DOE-labs. Elk laboratorium streeft al tientallen jaren naar supergeleidende technologie en heeft de afgelopen jaren onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen gericht op een legering die niobium combineert met tin.

Dit materiaal blijft in een supergeleidende staat - wat betekent dat het geen weerstand biedt tegen de stroom die er doorheen gaat - zelfs als het hoge magnetische velden genereert, wat het perfect maakt voor het bouwen van zogenaamde undulatormagneten. Lichtbronnen zoals de APS genereren bundels fotonen (lichtdeeltjes) door de energie die wordt afgegeven door elektronen over te hevelen terwijl ze in een opslagring circuleren. De undulatormagneten zijn de apparaten die die energie omzetten in licht, en hoe hoger een magnetisch veld dat je ermee kunt opwekken, hoe meer fotonen u kunt maken met hetzelfde apparaat.

Er zijn nu een paar supergeleidende undulatormagneten geïnstalleerd bij de APS, maar ze zijn gemaakt van een niobium-titanium legering, wat al tientallen jaren de standaard is. Volgens Søren Prestemon, senior wetenschapper bij Berkeley Lab, niobium-titanium supergeleiders zijn goed voor lagere magnetische velden - ze zijn niet meer supergeleidend bij ongeveer 10 tesla's. (Dat is ongeveer 8, 000 keer sterker dan uw typische koelkastmagneet.)

"Niobium-3-tin is ingewikkelder materiaal, "Prestemon zei, "maar het is in staat om stroom op een hoger veld te transporteren. Het is supergeleidend tot 23 tesla, en bij lagere velden kan het driemaal zoveel stroom voeren als niobium-titanium. Deze magneten worden koud gehouden op 4,2 Kelvin, wat ongeveer min 450 graden Fahrenheit is, om ze supergeleidend te houden."

Prestemon heeft een voortrekkersrol gespeeld in Berkeley's niobium-3-tinonderzoeksprogramma, die in de jaren tachtig begon. Het nieuwe ontwerp, ontwikkeld in Argonne, voortgebouwd op het eerdere werk van Prestemon en zijn collega's.

"Dit is de eerste niobium-3 tin-undulator die zowel voldoet aan de huidige ontwerpspecificaties als volledig is getest in termen van magnetische veldkwaliteit voor bundeltransport, " hij zei.

Fermilab begon in de jaren negentig met dit materiaal te werken, volgens Sasha Zlobin, die daar het niobium-3-tinnenmagneetprogramma initieerde en leidde. Fermilab's niobium-3 tin-programma is gericht op supergeleidende magneten voor deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider bij CERN in Zwitserland en de aanstaande PIP-II lineaire versneller, te bouwen op de Fermilab-site.

"We hebben succes aangetoond met onze hoogveldniobium-3 tinmagneten, "Zei Zlobin. "We kunnen die kennis toepassen op supergeleidende undulatoren op basis van deze supergeleider."

Een deel van het proces, volgens de ploeg heeft geleerd hoe voortijdige uitdoving in de magneten kan worden voorkomen als ze het gewenste niveau van het magnetische veld naderen. Wanneer de magneten hun vermogen verliezen om stroom te geleiden zonder weerstand, de resulterende speling wordt een quench genoemd, en het elimineert het magnetische veld en kan de magneet zelf beschadigen.

Het team meldde in de Proceedings of the Applied Superconductivity Conference 2020 dat hun nieuwe apparaat bijna twee keer de hoeveelheid stroom kan opnemen met een hoger magnetisch veld dan de supergeleidende niobium-titanium-undulatoren die momenteel bij de APS aanwezig zijn.

Het project was gebaseerd op de ervaring van Argonne met het bouwen en bedienen van supergeleidende undulatoren en op de kennis van Berkeley en Fermilab van niobium-3-tin. Fermilab hielp het proces te begeleiden, adviseren over de selectie van supergeleidende draad en het delen van recente ontwikkelingen in hun technologie. Berkeley ontwierp een state-of-the-art systeem dat gebruik maakt van geavanceerde computertechnieken om uitdovingen te detecteren en de magneet te beschermen.

in Argonne, het prototype is ontworpen, gefabriceerd, geassembleerd en getest door een groep ingenieurs en technici onder leiding van projectmanager Ibrahim Kesgin, met bijdragen in het ontwerp, constructie en testen door leden van het APS supergeleidende undulator-team onder leiding van Yury Ivanyushenkov.

Het onderzoeksteam is van plan hun prototype op ware grootte te installeren, die volgend jaar klaar moet zijn, bij Sector 1 van het APS, die gebruik maakt van fotonenstralen met een hogere energie om door dikkere materiaalmonsters te kijken. Dit zal een proeftuin zijn voor het apparaat, waaruit blijkt dat het kan werken volgens ontwerpspecificaties in een werkende lichtbron. Maar het oog, Gluskin zegt, gaat over het overdragen van beide technologieën, niobium titanium en niobium-3 tin, aan industriële partners en de fabricage van deze apparaten voor toekomstige high-energy lichtbronfaciliteiten.

"De sleutel is gestaag en volhardend werk geweest, ondersteund door de laboratoria en DOE onderzoeks- en ontwikkelingsfondsen, " zei Gluskin. "Het is een stapsgewijze vooruitgang geweest, stap voor stap, om op dit punt te komen."