Im Juni begann das Röntgenlicht an der Advanced Photon Source (APS) des US-Energieministeriums (DOE) wieder zu leuchten, einer Anlage, in der intensive, gerichtete Röntgenlichtstrahlen zur Inspektion aller Materialien eingesetzt werden, von Materialien für bessere Solarzellen bis hin zu Batterien zu Antikörpern zur Bekämpfung von Viren. Die Rückkehr des Lichts nach einem einjährigen Stillstand ist ein weiterer bedeutsamer Schritt in einer Modernisierung, die beispiellose Forschungsmöglichkeiten eröffnen wird.
Der Prozess ist noch nicht ganz abgeschlossen. Das APS, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Argonne National Laboratory des DOE, muss weiter auf Hochtouren laufen. Es erzeugt Licht durch einen Elektronenspeicherring, in dem sich geladene Teilchen – Elektronen – mit hoher Geschwindigkeit bewegen und an den Stellen, an denen sich die Bahn biegt, Lichtstrahlen freisetzen.
Das Licht vom Ring wird zu 71 verschiedenen Experimentierstationen oder Strahllinien geleitet, von denen einige jetzt online gehen. Wenn das 815 Millionen US-Dollar teure Upgrade abgeschlossen ist, wird das APS in der Lage sein, Röntgenstrahlen zu erzeugen, die bis zu 500-mal heller sind als zuvor, sodass Wissenschaftler Objekte genauer und detaillierter untersuchen können.
Forscher können es kaum erwarten, dass dieser Moment kommt. In einem typischen Jahr nutzen mehr als 5.500 Wissenschaftler die APS intensive Röntgenstrahlen. Im Vorfeld des Upgrades haben die Mitarbeiter von Argonne Workshops und Gespräche mit APS-Benutzern darüber abgehalten, welche Funktionen sie für ihre wissenschaftlichen Ziele benötigen. Jetzt reichen Forscher Vorschläge ein, um zu den ersten zu gehören, die die neue, weltweit führende Anlage nutzen.
Auf Distanz gehen
Neben Verbesserungen bestehender Strahllinien umfasst die Modernisierung sieben neue Strahllinien, die für die volle Nutzung der helleren Röntgenstrahlen optimiert sind, sowie die notwendige Infrastruktur für die zukünftige Fertigstellung von zwei weiteren.
Für diese neuen Stationen wurden mehr als 70 Forschungsanträge eingereicht. Zwei der neuen Strahllinien, das Hochenergie-Röntgenmikroskop (HEXM) und die In-Situ-Nanoprobe (ISN), werden im neuen Long Beamline Building untergebracht.
ISN wird es ermöglichen, Materialien in bisher unerreichbaren Maßstäben genauer zu beobachten, beispielsweise Materialien für Batterien, um zu sehen, wie sie sich verhalten, wenn sich die Bedingungen um sie herum ändern.
Bei HEXM werden Benutzer hochdurchdringende, hochenergetische Röntgenstrahlen verwenden, um Materialien zu untersuchen, die rauen Bedingungen und langen Betriebszeiten in Anwendungen wie der Kernenergie und der Luftfahrt standhalten müssen. Die Länge der Strahllinie – 180 Meter statt der üblichen 80 Meter – ermöglicht sowohl größere als auch kleinere Spotgrößen als bisher.
„Früher betrugen die Probenquerschnitte einen Millimeter. Jetzt können sie bis zu mehreren Millimetern betragen, da sich der Strahl über eine lange Distanz stärker ausdehnt. Dadurch können Benutzer größere Proben verwenden, die den realen Bedingungen besser entsprechen“, sagte Jonathan Almer , ein argonischer Physiker.
Die Länge der Strahllinie ermöglicht außerdem eine Fokussierung des Strahls auf weniger als einen Mikrometer – ein Tausendstel Millimeter –, sodass Forscher mit höherer Auflösung in verschiedene interessierende Bereiche innerhalb einer Probe hineinzoomen können.
Für Ashley Bucsek, die das mechanische Verhalten von Metallen untersucht, bietet HEXM die Möglichkeit, etablierte Techniken mit relativ neuen Techniken wie der Dunkelfeld-Röntgenmikroskopie zu kombinieren, die die sehr kleine Struktur tief im Inneren eines Materials beleuchten kann.
Die Technik erfasst wiederholte Aufnahmen von Röntgenstrahlen, die von einer Probe gestreut werden, mit einer Linse zwischen Probe und Detektor und kombiniert die Aufnahmen zu einem hochauflösenden Bild der Probe.
„HEXM wird die einzige Strahllinie weltweit sein, die Dunkelfeld-Röntgenmikroskopie bei hohen Energien bietet“, sagte Bucsek, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of Michigan. „Das bedeutet, dass wir mit dieser Technik größere Proben und schwerere Elemente untersuchen können als anderswo.“
Metalle und andere harte Materialien sind polykristallin, was Bucsek mit einer Handvoll Sand vergleicht, die so fest gepresst wird, dass die Körner miteinander verschmelzen. Sie beobachtet die Grenzen zwischen diesen Kristallen, um zu sehen, wie und wann sich Risse bilden. Röntgenuntersuchungen können Informationen über Zehntausende einzelner Kristalle liefern. Sie möchte sowohl die häufigen als auch die seltenen Fälle kennen, in denen Fehler in einem Material auftreten.
„Worst-Case-Szenarien passieren möglicherweise nur an wenigen Orten, aber sie steuern letztendlich, wie das Material reagiert oder ausfällt“, sagte sie. „HEXM wird es uns ermöglichen, in die wirklich interessanten Regionen hineinzuzoomen, in denen wir diese seltenen, aber möglicherweise katastrophalen Ereignisse sehen.“
Angrenzend an HEXM wird das neue Activated Materials Laboratory den sicheren Umgang mit Kernmaterialien und Brennstoffen ermöglichen. Das Labor wird es einfacher und effizienter machen, Experimente mit solchen Materialien durchzuführen.
Bei HEXM und anderen modernisierten Strahllinien wird das Ziel der ersten genehmigten Experimente darin bestehen, „Benutzer einzubeziehen, die die neuen Fähigkeiten wirklich testen und die Reifen ziemlich hart treten können“, sagte Almer. „Dann werden wir es für allgemeine Benutzer öffnen.“
Neu mögliche Messungen
Eine weitere neue Station am modernisierten APS, die Röntgen-Photonenkorrelationsspektroskopie (XPCS), ist für die Untersuchung von Proben von Flüssigkeiten, Gelen, Gläsern und Quantenmaterialien optimiert. Die an dieser Strahllinie geleistete Arbeit wird unter anderem für die Entwicklung von Batteriechemie, Medikamentenverabreichungssystemen und energieeffizienten Produkten wichtig sein.
Wenn man die atomare Struktur eines Materials kennt, kann man oft seine Eigenschaften vorhersagen. Aber das ist nur eine Momentaufnahme, und Wissenschaftler wollen einen abendfüllenden Film darüber, was passiert, wenn sich die Umgebung verändert.
„Es ist sehr schwierig, die Struktur allein zu nutzen, um die Viskosität oder Elastizität eines Materials vorherzusagen, wenn es sich nicht in einem genau definierten Gleichgewichtszustand befindet“, sagte Jeffrey Richards, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Northwestern University.
„Der Schlüssel zu einer quantitativen Vorhersage liegt darin, die Dynamik untersuchen zu können. Man muss wissen, wie sich die Teilchen in diesen Nichtgleichgewichtszuständen bewegen können.“
Sein alltägliches Beispiel für Dynamik: Ketchup, der beim Auspressen aus der Flasche geschmeidig läuft, aber aufhört zu fließen, wenn er auf den Hamburger trifft. Oder, im Fall von Richards‘ Forschung, der Fluss von Suspensionen, die zur Herstellung dünner Filme für Batterieelektroden verwendet werden. Das Verständnis von Struktur und Dynamik ermöglicht es den technischen Prozessen, diese Fertigungsschritte zu verbessern.
XPCS wird es Forschern ermöglichen, sowohl Struktur als auch Dynamik mithilfe eines Rheometers zu untersuchen, einem Gerät, das messen kann, wie sich Flüssigkeit als Reaktion auf verschiedene Kräfte bewegt. Dies war früher bis zu einem gewissen Grad möglich, aber der verbesserte APS-Röntgenstrahl wird eine höhere Helligkeit und Kohärenz aufweisen.
Kohärenz ist ein Maß für die Gleichmäßigkeit der Lichtwellen. Denken Sie an den Unterschied zwischen dem Licht einer Taschenlampe (nicht kohärent) und dem Licht eines Laserpointers (kohärent).
Die erhöhte Kohärenz bedeutet, dass jedes Photon im Strahl jetzt für wissenschaftliche Beobachtungen nützlich ist, was bedeutet, dass Ergebnisse schneller vorliegen und Proben weniger wahrscheinlich durch längere Einwirkung von Röntgenstrahlen beschädigt werden.
Ein Experiment, das normalerweise Tage dauern würde, kann mit XPCS in einigen Fällen auf wenige Stunden reduziert werden. Richards sagte: „Es ist ein Game Changer, nicht nur im Hinblick auf den physikalischen Durchsatz für Proben, die bereits für diese Messungen geeignet waren, sondern auch, weil es die Möglichkeit bietet, Proben zu messen, die vor dem Upgrade nie hätten gemessen werden können.“
Simulation des Erdinneren bei GSECARS
Während die neuen Feature-Beamlines aufregend sind, wird das Upgrade für bestehende APS-Forschungsbereiche nicht weniger transformativ sein. Das Center for Advanced Radiation Sources (CARS) der University of Chicago verwaltet sieben Strahllinien, darunter vier innerhalb von GeoSoilEnviroCARS (GSECARS), das für die erd- und umweltwissenschaftliche Forschung konzipiert ist.
Die Studien am GSECARS konzentrieren sich auf das Verständnis des tiefen Inneren des Planeten durch die Beobachtung von Elementen und Verbindungen unter extremen Bedingungen, einschließlich Temperaturen von bis zu 10.000 Grad Kelvin (17.540 Grad Fahrenheit). Wissenschaftler erforschen, wie die Dynamik tief unter der Erdoberfläche zur Entwicklung des Planeten und zu Phänomenen wie Erdbeben und Vulkanen beigetragen hat.
Zu sehen, wie sich verschiedene Materialien unter extremen Bedingungen verhalten, ist von noch größerer Bedeutung, einschließlich Hinweisen auf den Aufbau anderer Planeten und Technologien wie Supraleiter bei Raumtemperatur.
„Alles, was bisher passiert ist, wird auf einer neuen Ebene weitergehen“, sagte Vitali Prakapenka, GSECARS-Beamline-Wissenschaftler. „Wir werden in der Lage sein, Experimente viel schneller durchzuführen und Materialeigenschaften bei viel höheren Drücken und Temperaturen zu untersuchen.“
Prakapenka ist auf die Verwendung von Diamantstempelzellen spezialisiert, um starken Druck auf Proben auszuüben, während diese sich im Strahl befinden. „Je kleiner die Kontaktfläche, desto höher ist der Druck, den wir erreichen können“, erklärte er. Das hellere Licht durch das Upgrade wird es ermöglichen, sich auf kleinere Größen zu konzentrieren.“
Er verglich die Veränderung mit dem Blick durch ein Fernglas auf einen Vogel. „Stellen Sie sich vor, Sie erhöhen die Vergrößerung des Fernglases um das Hundertfache und haben überempfindliche Augen. Jetzt können Sie nicht nur die Form des Vogels sehen, sondern auch alle Federn und seine Struktur, selbst während er am Himmel fliegt“, sagte er.
„Das entspricht in etwa dem, was wir nach dem APS-Upgrade erwarten. Durch die Erhöhung der Helligkeit und Dichte des Röntgenstrahls können wir die Auflösung und Empfindlichkeit erhöhen, wenn wir die Reaktion von Materialien auf ultrahohe Drücke und Temperaturen untersuchen.“
Fast bereit für die Strahlzeit
Die Installation des neuen APS-Elektronenspeicherrings begann im vergangenen Frühjahr nach mehr als einem Jahrzehnt der Planung. Wenn man bedenkt, dass an dem Prozess 1.321 Elektromagnete, kilometerlange Kabel, Tausende von Netzteilen und Hunderte von Menschen beteiligt waren, ist ein Jahr praktisch keine Zeit.
„Es war so viel Koordination und Zusammenarbeit, und das gelingt nur, wenn man Leute hat, die alle das gleiche Ziel verfolgen“, sagte Elmie Peoples-Evans, Projektmanagerin für das Upgrade. „Das ultimative Ziel besteht darin, die Anlage wieder in Betrieb zu nehmen und unsere Nutzer wieder für die Wissenschaft zu gewinnen.“
Die Zusammenarbeit mit den Benutzern war der Schlüssel zum Prozess. „Wir verlassen uns wirklich darauf, dass die Instrumentenwissenschaftler einige dieser Innovationen vorantreiben“, sagte Richards. „Die wissenschaftliche Gemeinschaft wünscht sich immer bessere und schnellere Experimente. Ich schätze es, dass das APS-Team den Benutzern zuhört und diese neuen Funktionen umsetzt.“