Supraleitender Röntgenlaser erreicht Betriebstemperatur, die kälter ist als das Weltall

Eingebettet in 30 Fuß unter der Erde in Menlo Park, Kalifornien, ist ein 800 Meter langer Tunnelabschnitt jetzt kälter als der größte Teil des Universums. Es beherbergt einen neuen supraleitenden Teilchenbeschleuniger, der Teil eines Upgrade-Projekts für den Freie-Elektronen-Röntgenlaser Linac Coherent Light Source (LCLS) am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums ist.

Die Besatzungen haben den Beschleuniger erfolgreich auf minus 456 Grad Fahrenheit – oder 2 Kelvin – gekühlt, eine Temperatur, bei der er supraleitend wird und Elektronen auf hohe Energien bringen kann, ohne dass dabei Energie verloren geht. Es ist einer der letzten Meilensteine, bevor LCLS-II Röntgenpulse erzeugen wird, die im Durchschnitt 10.000-mal heller sind als die von LCLS und die bis zu einer Million Mal pro Sekunde eintreffen – ein Weltrekord für das derzeit leistungsstärkste X- Strahl Lichtquellen.

„In nur wenigen Stunden wird LCLS-II mehr Röntgenpulse erzeugen, als der aktuelle Laser in seiner gesamten Lebensdauer erzeugt hat“, sagt Mike Dunne, Direktor von LCLS. „Daten, deren Erfassung einst Monate gedauert hätte, könnten in Minuten produziert werden. Es wird die Röntgenwissenschaft auf die nächste Stufe heben, den Weg für eine ganze Reihe neuer Studien ebnen und unsere Fähigkeit verbessern, revolutionäre Technologien zu entwickeln, um einige davon anzugehen die tiefgreifendsten Herausforderungen unserer Gesellschaft.“

Mit diesen neuen Fähigkeiten können Wissenschaftler die Details komplexer Materialien mit beispielloser Auflösung untersuchen, um neue Formen der Datenverarbeitung und Kommunikation voranzutreiben; seltene und flüchtige chemische Ereignisse aufzudecken, um uns zu lehren, wie wir nachhaltigere Industrien und saubere Energietechnologien schaffen können; untersuchen, wie biologische Moleküle die Funktionen des Lebens ausführen, um neue Arten von Arzneimitteln zu entwickeln; und werfen Sie einen Blick in die bizarre Welt der Quantenmechanik, indem Sie die Bewegungen einzelner Atome direkt messen.

Eine erschreckende Leistung

LCLS, der weltweit erste Freie-Elektronen-Laser (XFEL) für harte Röntgenstrahlen, erzeugte im April 2009 sein erstes Licht und erzeugte Röntgenpulse, die milliardenfach heller waren als alles bisher Dagewesene. Es beschleunigt Elektronen durch ein Kupferrohr bei Raumtemperatur, was seine Rate auf 120 Röntgenpulse pro Sekunde begrenzt.

Im Jahr 2013 startete SLAC das LCLS-II-Upgrade-Projekt, um diese Rate auf eine Million Pulse zu steigern und den Röntgenlaser tausendmal leistungsfähiger zu machen. Dazu entfernten die Besatzungen einen Teil des alten Kupferbeschleunigers und installierten eine Reihe von 37 kryogenen Beschleunigermodulen, die perlenartige Ketten aus Niobmetallhohlräumen beherbergen. Diese sind von drei ineinander verschachtelten Schichten von Kühlgeräten umgeben, und jede aufeinanderfolgende Schicht senkt die Temperatur, bis sie fast den absoluten Nullpunkt erreicht – ein Zustand, bei dem die Niob-Hohlräume supraleitend werden.

„Im Gegensatz zum Kupferbeschleuniger, der LCLS antreibt, der bei Umgebungstemperatur arbeitet, arbeitet der supraleitende LCLS-II-Beschleuniger bei 2 Kelvin, nur etwa 4 Grad Fahrenheit über dem absoluten Nullpunkt, der niedrigstmöglichen Temperatur“, sagte Eric Fauve, Direktor der Cryogenic Division bei SLAC. „Um diese Temperatur zu erreichen, ist der Linearbeschleuniger mit zwei erstklassigen Helium-Kryoanlagen ausgestattet, was SLAC zu einem der bedeutendsten kryogenen Wahrzeichen in den USA und auf der ganzen Welt macht. Das Team von SLAC Cryogenics hat während der gesamten Pandemie vor Ort an der Installation und Inbetriebnahme gearbeitet Kryosystem und kühlt den Beschleuniger in Rekordzeit ab.“

Eine dieser Kryoanlagen, die speziell für LCLS-II gebaut wurde, kühlt Heliumgas von Raumtemperatur bis zu seiner flüssigen Phase bei nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt und liefert das Kühlmittel für den Beschleuniger.

Am 15. April erreichte der neue Beschleuniger erstmals seine Endtemperatur von 2 K und heute, am 10. Mai, ist der Beschleuniger bereit für den ersten Betrieb.

„Die Abkühlung war ein kritischer Prozess und musste sehr sorgfältig durchgeführt werden, um eine Beschädigung der Kryomodule zu vermeiden“, sagte Andrew Burrill, Direktor des Accelerator Directorate von SLAC. „Wir freuen uns, dass wir diesen Meilenstein erreicht haben und uns nun darauf konzentrieren können, den Röntgenlaser einzuschalten.“

Zum Leben erwecken

Neben einem neuen Beschleuniger und einer Kryoanlage erforderte das Projekt weitere hochmoderne Komponenten, darunter eine neue Elektronenquelle und zwei neue Stränge von Undulator-Magneten, die sowohl „harte“ als auch „weiche“ Röntgenstrahlen erzeugen können. Harte Röntgenstrahlen, die energiereicher sind, ermöglichen es Forschern, Materialien und biologische Systeme auf atomarer Ebene abzubilden. Weiche Röntgenstrahlen können erfassen, wie Energie zwischen Atomen und Molekülen fließt, die Chemie in Aktion verfolgen und Einblicke in neue Energietechnologien bieten. Um dieses Projekt zum Leben zu erwecken, hat sich SLAC mit vier anderen nationalen Labors – Argonne, Berkeley Lab, Fermilab und Jefferson Lab – und der Cornell University zusammengetan.

Jefferson Lab, Fermilab und SLAC haben ihre Expertise für die Forschung und Entwicklung von Kryomodulen gebündelt. Nach dem Bau der Kryomodule testeten Fermilab und Jefferson Lab jedes ausgiebig, bevor die Gefäße verpackt und per LKW an SLAC verschifft wurden. Das Team von Jefferson Lab entwarf und half bei der Beschaffung der Elemente der Kryopflanzen.

„Das LCLS-II-Projekt erforderte jahrelange Bemühungen großer Teams von Technikern, Ingenieuren und Wissenschaftlern aus fünf verschiedenen DOE-Labors in den USA und vielen Kollegen aus der ganzen Welt“, sagt Norbert Holtkamp, ​​stellvertretender SLAC-Direktor und Projektleiter für LCLS- II. „Ohne diese fortlaufenden Partnerschaften und das Fachwissen und Engagement unserer Mitarbeiter hätten wir es nicht dorthin geschafft, wo wir jetzt sind.“

Auf dem Weg zum ersten Röntgen

Nachdem die Hohlräume gekühlt wurden, müssen sie im nächsten Schritt mit mehr als einem Megawatt Mikrowellenleistung gepumpt werden, um den Elektronenstrahl aus der neuen Quelle zu beschleunigen. Elektronen, die die Hohlräume passieren, ziehen Energie aus den Mikrowellen, so dass sich die Elektronen, wenn sie alle 37 Kryomodule passiert haben, nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen werden. Dann werden sie durch die Undulatoren geleitet und zwingen den Elektronenstrahl auf eine Zickzackbahn. Wenn alles genau richtig ausgerichtet ist – bis auf den Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares – werden die Elektronen die stärksten Röntgenstrahlen der Welt aussenden.

Dies ist der gleiche Prozess, den LCLS verwendet, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Da LCLS-II jedoch supraleitende Hohlräume anstelle von warmen Kupferhohlräumen verwendet, die auf einer 60 Jahre alten Technologie basieren, kann es bis zu einer Million Impulse pro Sekunde liefern, 10.000-mal so viele Röntgenimpulse für die gleiche Stromrechnung.

Sobald LCLS-II seine ersten Röntgenstrahlen erzeugt, was voraussichtlich noch in diesem Jahr geschehen wird, werden beide Röntgenlaser parallel arbeiten, sodass Forscher Experimente über einen breiteren Energiebereich durchführen, detaillierte Momentaufnahmen ultraschneller Prozesse erfassen und empfindliche Sonden untersuchen können Proben und sammeln Sie mehr Daten in kürzerer Zeit, was die Anzahl der Experimente erhöht, die durchgeführt werden können. Es wird die wissenschaftliche Reichweite der Einrichtung erheblich erweitern und es Wissenschaftlern aus dem ganzen Land und der ganzen Welt ermöglichen, die überzeugendsten Forschungsideen zu verfolgen.