Der neu aufgerüstete Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) Linac Coherent Light Source (LCLS) am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums erzeugte erfolgreich seine ersten Röntgenstrahlen, und Forscher auf der ganzen Welt stehen bereits Schlange, um den Startschuss zu geben ehrgeiziges Wissenschaftsprogramm.
Das LCLS-II genannte Upgrade schafft beispiellose Fähigkeiten, die eine neue Ära in der Forschung mit Röntgenstrahlen einläuten werden.
Wissenschaftler werden in der Lage sein, die Details von Quantenmaterialien mit beispielloser Auflösung zu untersuchen, um neue Formen der Datenverarbeitung und Kommunikation voranzutreiben; Enthüllen Sie unvorhersehbare und flüchtige chemische Ereignisse, um uns zu zeigen, wie wir nachhaltigere Industrien und saubere Energietechnologien schaffen können. untersuchen, wie biologische Moleküle Lebensfunktionen ausführen, um neue Arten von Arzneimitteln zu entwickeln; und erforschen Sie die Welt in kürzester Zeit, um völlig neue Bereiche der wissenschaftlichen Forschung zu erschließen.
„Dieser Erfolg markiert den Höhepunkt von über einem Jahrzehnt Arbeit“, sagte Greg Hays, der Projektleiter von LCLS-II. „Es zeigt, dass alle verschiedenen Elemente von LCLS-II harmonisch zusammenarbeiten, um Röntgenlaserlicht in einer völlig neuen Betriebsart zu erzeugen.“
Das Erreichen des „First Light“ ist das Ergebnis einer Reihe wichtiger Meilensteine, die 2010 mit der Vision der Aufrüstung des ursprünglichen LCLS begann und sich zu einem mehrjährigen Aufrüstungsprojekt entwickelte, an dem Tausende von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern im gesamten DOE beteiligt waren zahlreiche institutionelle Partner.
„Seit mehr als 60 Jahren entwickelt und betreibt SLAC leistungsstarke Werkzeuge, die Wissenschaftlern helfen, grundlegende Fragen über die Welt um uns herum zu beantworten. Dieser Meilenstein sichert unsere Führungsrolle auf dem Gebiet der Röntgenwissenschaft und treibt uns für zukünftige Innovationen voran“, sagte Stephen Streiffer, interimistischer Laborleiter des SLAC. „Das ist alles dem großartigen Einsatz aller Teile unseres Labors in Zusammenarbeit mit dem breiteren Projektteam zu verdanken.“
Wir heben die Röntgenwissenschaft auf ein neues Niveau
XFELs erzeugen ultrahelle, ultrakurze Röntgenlichtimpulse, die es Wissenschaftlern ermöglichen, das Verhalten von Molekülen, Atomen und Elektronen mit beispielloser Detailgenauigkeit auf den natürlichen Zeitskalen zu erfassen, auf denen Chemie, Biologie und Materialveränderungen stattfinden.
XFELs waren maßgeblich an vielen wissenschaftlichen Errungenschaften beteiligt, darunter an der Erstellung des ersten „molekularen Films“ zur Untersuchung komplexer chemischer Prozesse, der Echtzeitbeobachtung der Art und Weise, wie Pflanzen und Algen Sonnenlicht absorbieren, um den gesamten Sauerstoff zu produzieren, den wir atmen, und der Untersuchung extremer Phänomene Bedingungen, die die Entwicklung von Planeten und Phänomenen wie dem Diamantenregen vorantreiben.
LCLS, der weltweit erste harte XFEL, erzeugte im April 2009 sein erstes Licht und erzeugte Röntgenimpulse, die eine Milliarde Mal heller waren als alles, was es zuvor gab. Es beschleunigt Elektronen durch ein Kupferrohr bei Raumtemperatur, was seine Geschwindigkeit auf 120 Röntgenimpulse pro Sekunde begrenzt.
Der Linac ist mit zwei erstklassigen Helium-Kryoanlagen ausgestattet. Eine dieser Kryoanlagen, die speziell für LCLS-II gebaut wurde, kühlt Heliumgas von Raumtemperatur bis in seine flüssige Phase bei nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt und liefert so das Kühlmittel für den Beschleuniger. Bildnachweis: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
„Das Licht von SLACs LCLS-II wird die kleinsten und schnellsten Phänomene im Universum beleuchten und zu großen Entdeckungen in Disziplinen führen, die von der menschlichen Gesundheit bis zur Quantenmaterialwissenschaft reichen“, sagte US-Energieministerin Jennifer M. Granholm.
„Dieses Upgrade auf den leistungsstärksten Röntgenlaser, den es gibt, hält die Vereinigten Staaten an der Spitze der Röntgenwissenschaft und bietet einen Einblick in die Funktionsweise unserer Welt auf atomarer Ebene. Herzlichen Glückwunsch an die unglaublich talentierten Ingenieure und Forscher am SLAC haben in den letzten Jahren so viel in dieses Projekt gesteckt, alles mit dem Streben nach Wissen.“
Das LCLS-II-Upgrade hebt die Röntgenwissenschaft auf ein völlig neues Niveau: Es kann bis zu einer Million Röntgenimpulse pro Sekunde erzeugen, 8.000 Mal mehr als LCLS, und einen nahezu kontinuierlichen Röntgenstrahl erzeugen, der im Durchschnitt so hoch ist 10.000-mal heller als sein Vorgänger – ein Weltrekord für die derzeit leistungsstärksten Röntgenlichtquellen.
„Die Geschichte des LCLS als weltweit führende Wissenschaft wird mit diesen verbesserten Fähigkeiten weiter wachsen“, sagte Asmeret Asefaw Berhe, Direktorin des Office of Science des DOE. „Ich freue mich wirklich auf die Auswirkungen von LCLS-II und der Benutzergemeinschaft auf nationale wissenschaftliche Prioritäten, die von der Grundlagenforschung in Chemie, Materialien, Biologie und mehr über die Anwendung der wissenschaftlichen Fortschritte für saubere Energie bis hin zur Gewährleistung der nationalen Sicherheit reichen.“ Initiativen wie die Quanteninformationswissenschaft.“
Partnerschaften für anspruchsvolle Technologie
Dieser Erfolg ist der Höhepunkt einer umfassenden Zusammenarbeit mit wichtigen Beiträgen von Forschern aus der ganzen Welt. Mehrere Institutionen, darunter fünf nationale US-Labore und eine Universität, haben zur Realisierung des Projekts beigetragen, ein Beweis für seine nationale und internationale Bedeutung.
Im Mittelpunkt der erweiterten Fähigkeiten von LCLS-II steht der revolutionäre supraleitende Beschleuniger. Es besteht aus 37 kryogenen Modulen, die auf minus 456 Grad Fahrenheit gekühlt werden – kälter als der Weltraum – eine Temperatur, bei der Elektronen nahezu ohne Energieverlust auf hohe Energien gebracht werden können. Fermilab und die Thomas Jefferson National Accelerator Facility spielten eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und dem Bau dieser Kryomodule.
„Das Herzstück des LCLS-II-Projekts ist sein bahnbrechender supraleitender Beschleuniger“, sagte Fermilab-Direktorin Lia Merminga. „Das kollektive technische, technische und wissenschaftliche Fachwissen sowie das Talent der Zusammenarbeit verdienen große Anerkennung für den erfolgreichen Bau und die Erbringung von Weltklasseleistungen in bemerkenswert kurzer Zeit.“
Der supraleitende Beschleuniger arbeitet parallel zum bestehenden Kupferbeschleuniger und ermöglicht es Forschern, Beobachtungen über einen größeren Energiebereich durchzuführen, detaillierte Schnappschüsse schneller Prozesse zu erfassen, empfindliche Proben zu untersuchen, die außerhalb der Reichweite anderer Lichtquellen liegen, und mehr Daten in kürzerer Zeit zu sammeln. Dadurch wird die Anzahl der Experimente, die in der Einrichtung durchgeführt werden können, erheblich erhöht.
„Es ist wunderbar, diese enorme Leistung zu sehen, die vom hochmodernen supraleitenden Beschleuniger LCLS-II angetrieben wird“, sagte Stuart Henderson, der Laborleiter des Jefferson Lab. „Jefferson Lab ist stolz darauf, durch den Bau der Hälfte der Kryomodule in Zusammenarbeit mit Fermilab und SLAC zu diesem Erfolg beigetragen zu haben. Dieser Erfolg baut auf mehr als einem Jahrzehnt der Entwicklung dieser leistungsstarken Teilchenbeschleunigertechnologie auf.“
Neben einem neuen Beschleuniger waren für LCLS-II viele weitere hochmoderne Komponenten erforderlich, darunter eine neue Elektronenquelle, zwei leistungsstarke Kryoanlagen, die Kältemittel für die Niobstrukturen in den Kryomodulen produzieren, und zwei neue Undulatoren zur Erzeugung von Röntgenstrahlen aus dem Elektron Strahl sowie große Fortschritte in der Lasertechnologie, ultraschnelle Datenverarbeitung und fortschrittliche Sensoren und Detektoren.
Die Undulatoren wurden in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory und dem Argonne National Laboratory entwickelt. Zahlreiche andere Institutionen, darunter die Cornell University, haben zu anderen Schlüsselkomponenten beigetragen und unterstreichen damit das weit verbreitete Engagement für die Weiterentwicklung wissenschaftlicher Erkenntnisse.
„Herzlichen Glückwunsch an SLAC und an das beeindruckende Team von Beschleunigerexperten des Department of Energy Labs im ganzen Land, das LCLS-II gebaut hat“, sagte Mike Witherell, Direktor des Lawrence Berkeley National Laboratory. „Diese einzigartige neue Anlage wird viele neue Möglichkeiten für die Entdeckungswissenschaft bieten.“
Die „weichen“ und „harten“ Röntgenundulatoren erzeugen Röntgenstrahlen mit niedriger bzw. hoher Energie – eine Vielseitigkeit, die es Forschern ermöglicht, ihre Experimente präziser anzupassen und tiefer in die Strukturen und Verhaltensweisen von Materialien und biologischen Systemen einzudringen.
„Wir freuen uns, dass unsere Zusammenarbeit mit SLAC und Berkeley Lab dazu beiträgt, diese Lichtquelle der Zukunft zu stärken“, sagte Paul Kearns, Direktor des Argonne National Laboratory. „Die fortschrittliche Technologie hinter LCLS-II wird es der DOE-Nutzergemeinschaft ermöglichen, unser Verständnis der Welt um uns herum erheblich zu verbessern. Herzlichen Glückwunsch an SLAC und an alle, die zu dieser bemerkenswerten wissenschaftlichen Leistung beigetragen haben.“
Ermöglichung bahnbrechender Wissenschaft
Forscher bereiten sich seit Jahren darauf vor, LCLS-II für ein breit angelegtes wissenschaftliches Programm zu nutzen, das sich Herausforderungen stellen soll, die zuvor unerreichbar waren.
Wissenschaftler werden beispielsweise in der Lage sein, Wechselwirkungen in Quantenmaterialien auf ihren natürlichen Zeitskalen zu untersuchen, was der Schlüssel zum Verständnis ihrer ungewöhnlichen und oft kontraintuitiven Eigenschaften ist – um sie zum Bau energieeffizienter Geräte, Quantencomputer, ultraschneller Datenverarbeitung usw. zu nutzen. und andere Zukunftstechnologien.
Durch die Erfassung atomarer Schnappschüsse chemischer Reaktionen im Attosekunden-Zeitmaßstab – dem Maßstab, in dem sich Elektronen bewegen – wird LCLS-II auch beispiellose Einblicke in chemische und biologische Reaktionen liefern und zu effizienteren und effektiveren Prozessen in Branchen führen, die von erneuerbaren Energien bis hin zu erneuerbaren Energien reichen Produktion von Düngemitteln und die Minderung von Treibhausgasen.
Die von LCLS-II erzeugten Röntgenimpulse werden es Wissenschaftlern ermöglichen, den Energiefluss durch komplexe Systeme in Echtzeit zu verfolgen. Dadurch wird ein beispielloser Detaillierungsgrad bereitgestellt, der die Entwicklung von Bereichen wie ultraschneller Datenverarbeitung, nachhaltiger Fertigung und Kommunikation vorantreibt.
An der Schnittstelle von Physik, Chemie und Ingenieurwesen dürfte auch die Materialwissenschaft erheblich von den neuen Fähigkeiten von LCLS-II profitieren. Das Potenzial des verbesserten Röntgenlasers zur Beobachtung der inneren Struktur und Eigenschaften von Materialien auf atomarer und molekularer Ebene wird voraussichtlich zu Durchbrüchen bei der Entwicklung neuer Materialien mit einzigartigen Eigenschaften führen und Auswirkungen auf eine Reihe von Branchen haben, von der Elektronik über die Energiespeicherung bis hin zur Luft- und Raumfahrt Maschinenbau.
Lebensprozesse laufen in Größenordnungen und Geschwindigkeiten ab, die sich oft einer detaillierten Untersuchung entzogen haben. Die Fähigkeit von LCLS-II, „molekulare Filme“ zu erstellen, kann diese Phänomene beleuchten und unser Verständnis des Lebens auf seiner grundlegendsten Ebene revolutionieren. Vom komplizierten Tanz der Proteine bis hin zur Maschinerie der Photosynthese wird LCLS-II biologische Systeme in noch nie dagewesenem Detail beleuchten.
„Experimente in jedem dieser Bereiche sollen in den kommenden Wochen und Monaten beginnen und Tausende von Forschern aus dem ganzen Land und der ganzen Welt anziehen“, sagte LCLS-Direktor Mike Dunne. „DOE-Benutzereinrichtungen wie LCLS werden den Benutzern kostenlos zur Verfügung gestellt – wir wählen auf der Grundlage der wichtigsten und einflussreichsten Wissenschaft aus. LCLS-II wird eine Revolution in vielen akademischen und industriellen Bereichen vorantreiben. Ich freue mich darauf.“ Ansturm neuer Ideen – das ist der Grund, warum es nationale Labore gibt.“