Om röntgenstralen te leveren die zowel zeer helder als zeer strak gefocust zijn, een Argonne-team moest een nieuw systeem van spiegels maken, lenzen en apparatuur voor de verbeterde Advanced Photon Source.

In de film "Aladdin, Robin Williams sprak een enorme blauwe geest uit die in een kleine magische lamp leefde. Het personage beschreef zijn situatie als volgt:"Fenomenale kosmische kracht! Kleine leefruimte!"

Op een manier, dat is de uitdaging voor het team dat het optische systeem ontwerpt voor de upgrade van de Advanced Photon Source (APS), een US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility bij DOE's Argonne National Laboratory. Wanneer de faciliteit weer online komt, momenteel gepland voor 2024, de opgewaardeerde APS zal röntgenstralen leveren die tot 500 keer helderder zijn dan de stralen die in de huidige faciliteit worden gegenereerd. Het is de taak van het optiekteam om erachter te komen hoe die intense stralen tot ongelooflijk kleine afmetingen kunnen worden scherpgesteld.

Kortom, deze fenomenaal heldere stralen moeten worden teruggebracht tot kleine spotgroottes, vaak kleiner dan een enkele micron, betekenis kleiner dan bacteriën of bloedcellen. Wetenschappers zullen deze strak gefocuste, extreem heldere stralen om de eigenschappen van nieuwe materialen voor nieuwe apparaten te ontdekken, bijvoorbeeld, of om de volgende generatie medicijnen te helpen ontwikkelen die ons dagelijks leven zullen verbeteren.

Lichtbronnen zoals de APS gebruiken een combinatie van spiegels, complexe apparaten genaamd monochromators, en lenzen om röntgenstralen op verschillende manieren te manipuleren en scherp te stellen. Deze componenten zijn allemaal geïnstalleerd in experimentele eindstations, beamlines genaamd, die zich rond het APS bevinden. Wetenschappers van over de hele wereld gebruiken die röntgenstralen voor wetenschappelijke ontdekkingen. Het upgraden van deze machine vereist nieuwe technologie en nieuw ontworpen optische componenten die nauwkeuriger zijn dan die van het huidige APS.

"Alle bundellijnen - waaronder negen nieuw gebouwde en 15 met aanzienlijke verbeteringen - zullen state-of-the-art zijn, en ontworpen om iets te doen wat we voorheen niet konden, " zei Lahsen Assoufid, leider van de Optics Group in Argonne's X-ray Science Division (XSD). "We ontwerpen geheel nieuwe optica voor de negen nieuwe bundellijnen. Er zijn geen bestaande optica die we ervoor kunnen hergebruiken."

Na de upgrade, de APS zal een röntgenbron genereren die ongeveer 10 micron verticaal en 30 micron horizontaal is, veel kleiner dan degene die de faciliteit nu levert. Assoufid en zijn team zijn belast met het ontwerpen van een systeem waarmee wetenschappers die zeer heldere straal kunnen focussen tot ongelooflijk kleine afmetingen. Het systeem moet dit doen met behoud van de coherentie van de röntgenstralen. Coherentie is de kwaliteit van licht waarmee het informatie kan dragen wanneer het van oppervlakken weerkaatst. Wanneer deze verbeterde röntgenstralen van een monster afbuigen, zij zullen meer informatie over dat monster aan de detectoren leveren, wat resulteert in een gedetailleerder beeld.

"We willen ervoor zorgen dat de coherente bundel behouden blijft, "Zei Assoufid. "Ik denk dat dat de grootste uitdaging is. We willen dat de spiegels de bundelkwaliteit in de focusseeroptiek behouden. We willen al dit coherente licht in een kleine spotgrootte, meettijd te versnellen."

Xianbo Shi is een natuurkundige met XSD, en hij heeft verschillende van deze nieuwe systemen ontworpen met de hulp van het personeel van elke bundellijn waarmee hij werkt. In totaal, hij zei, de APS-upgrade zal meer dan 1 vereisen 700 lenzen en bijna 60 hooggepolijste spiegels. Elk van de optische systemen moest speciaal tot in detail worden ontworpen. Zo veeleisend, in feite, dat de technologie niet bestond om ze efficiënt te ontwerpen - het optiekteam van APS Upgrade moest hun eigen software ontwikkelen, verbetering van de stand van de techniek, voordat ze verder konden.

"Bij elke stap we gebruiken de beste software en ontwikkelen daar bovenop, "Zei Shi. "We moeten de software ontwerpen zodat we de optica kunnen ontwerpen."

De spiegels die zijn ontworpen, Shi zei, zijn de meest veeleisende state-of-the-art ter wereld. Er zijn maar een paar bedrijven in de wereld die ze kunnen maken, hij zei, omdat om de kwaliteiten van de balk te behouden, de spiegels moeten bijna perfect glad zijn. Dit gaat verder dan traditioneel mechanisch chemisch polijsten en het één voor één verwijderen van atomen van hun oppervlak.

In feite, Assoufid zei, er is maar één bedrijf ter wereld dat de soepelheid kan leveren die sommige van deze spiegels nodig hebben. Ongeveer 20 van de mirrors die nodig zijn voor de upgrade zullen van dit bedrijf komen, hij zei. Het duurt ongeveer een jaar om spiegels als deze te maken, en als ze niet door de keuring komen, het bedrijf zal bijna helemaal opnieuw moeten beginnen.

De lenzen hoeven niet zo glad te zijn, Shi zei, maar hun ontwerp en fabricage is nog steeds uiterst gedetailleerd. De lenzen zijn hol, wat betekent dat ze naar binnen buigen. Die curve moet precies volgens de ontwerpspecificaties worden gemaakt, zodat ze de straal focussen zoals bedoeld.

Het optiekteam heeft ook technologie ontwikkeld met behulp van kunstmatige intelligentie, zodat sommige bundellijnen de grootte van de bundel snel en nauwkeurig kunnen veranderen, zonder dat de wetenschappers aanpassingen hoeven te doen. ATOOM, een van de nieuwe feature beamlines, is ontworpen om de structurele, chemische en fysische eigenschappen van monsters met ongekende precisie. Soms vereist dat dat wetenschappers de grootte van de straal tijdens de vlucht scherpstellen.

"Zoomspiegeloptiek betekent dat er twee paar focusspiegels nodig zijn, zodat de bundelgrootte kan veranderen bij het monster, Assoufid legde uit. "Beamline-wetenschappers hebben geen tijd om de spiegels uit te lijnen, dus het moet automatisch gebeuren. Als ze de straal op één plek willen focussen, en verander dan de grootte, ze kunnen hun monster op verschillende schalen afbeelden."

De spiegels en lenzen die nodig zijn voor de APS Upgrade zijn zo nauwkeurig dat sommige alleen kunnen worden getest in een echte röntgenstraal. Als ze bij het lab aankomen van de bedrijven die ze maken, het team zal ze verifiëren in Sector 1 van het APS en de traditionele optische metrologie uitvoeren. Elke spiegel heeft een week of langer nodig om te testen, en het team moest hiervoor nieuwe tools en technologie ontwikkelen. Ze hebben ook nieuwe diagnostische systemen gemaakt voor elk van de bundellijnen, meten wat voorheen niet kon worden gemeten.

"De straalkwaliteit is belangrijk, dus we hebben een manier nodig om het te meten, " zei Shi. "Dus we hebben wat moeite gedaan om een ​​nieuwe technologie voor het testen van golffronten te ontwikkelen. Het verbetert de stand van de techniek. We kunnen de bundellijn bewaken bij het wisselen van optica en informatie verzamelen om die optica te besturen."

De nieuwe spiegels, lenzen en andere apparatuur zullen worden geïnstalleerd gedurende de periode van een jaar waarin het APS wordt stilgelegd voor upgradeconstructie. De installatieperiode is gepland om te beginnen in april 2023. Als het nieuwe optieksysteem klaar is, Assoufid zei, het effect zal zijn alsof je de APS een nieuwe bril geeft. Wat ooit wazig en moeilijk te zien was, wordt nu scherpgesteld.

"Ik zal blij zijn als we het eerste licht zien, "zei hij. "We hebben veel vooruitgang geboekt, maar er is veel werk aan de winkel. Ik ben opgewonden, maar ik zal helemaal tevreden zijn als het allemaal klaar is."