Láser de rayos X superconductor de SLAC 2022

SLAC presentó nueva tecnología LASER de última generación
SLAC presentó nueva tecnología LASER de última generación

El LASER de rayos X superconductor de SLAC alcanza una temperatura de funcionamiento más fría que el espacio exterior

La instalación, LCLS-II, pronto agudizará nuestra visión de cómo funciona la naturaleza en escalas ultrapequeñas y ultrarrápidas, impactando todo, desde dispositivos cuánticos hasta energía limpia.

Ubicado a 30 pies bajo tierra en Menlo Park, California, un tramo de túnel de media milla de largo es ahora más frío que la mayor parte del universo. Alberga un nuevo acelerador de partículas superconductoras , parte de un proyecto de actualización del láser de electrones libres de rayos X Linac Coherent Light Source (LCLS) en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía.

Los equipos han enfriado con éxito el acelerador a menos 456 grados Fahrenheit, o 2 Kelvin, una temperatura a la que se vuelve superconductor y puede impulsar los electrones a altas energías con una pérdida de energía casi nula en el proceso. Es uno de los últimos hitos antes de que LCLS-II produzca pulsos de rayos X que son 10.000 veces más brillantes, en promedio, que los de LCLS y que llegan hasta un millón de veces por segundo, un récord mundial para los rayos X más potentes de la actualidad. fuentes de luz de rayos.

“En solo unas pocas horas, LCLS-II producirá más pulsos de rayos X que los que ha generado el láser actual en toda su vida útil”, dice Mike Dunne, director de LCLS. “Los datos que antes podrían haber tomado meses para recopilar podrían producirse en minutos. Llevará la ciencia de rayos X al siguiente nivel, allanando el camino para toda una nueva gama de estudios y avanzando en nuestra capacidad de desarrollar tecnologías revolucionarias para abordar algunos de los desafíos más profundos que enfrenta nuestra sociedad”.

Con estas nuevas capacidades, los científicos pueden examinar los detalles de materiales complejos con una resolución sin precedentes para impulsar nuevas formas de computación y comunicaciones; revelar eventos químicos raros y fugaces para enseñarnos cómo crear industrias más sostenibles y tecnologías de energía limpia; estudiar cómo las moléculas biológicas llevan a cabo las funciones de la vida para desarrollar nuevos tipos de productos farmacéuticos; y eche un vistazo al extraño mundo de la mecánica cuántica midiendo directamente los movimientos de los átomos individuales.

Una hazaña escalofriante

LCLS, el primer láser de electrones libres de rayos X duros (XFEL) del mundo, produjo su primera luz en abril de 2009, generando pulsos de rayos X mil millones de veces más brillantes que cualquier cosa anterior. Acelera electrones a través de un tubo de cobre a temperatura ambiente, lo que limita su velocidad a 120 pulsos de rayos X por segundo.

En 2013, SLAC lanzó el proyecto de actualización LCLS-II para aumentar esa tasa a un millón de pulsos y hacer que el láser de rayos X sea miles de veces más potente. Para que eso suceda, los equipos quitaron parte del viejo acelerador de cobre e instalaron una serie de 37 módulos aceleradores criogénicos, que albergan cadenas de cavidades de metal de niobio con forma de perla. Estos están rodeados por tres capas anidadas de equipos de enfriamiento, y cada capa sucesiva reduce la temperatura hasta que alcanza casi el cero absoluto, una condición en la que las cavidades de niobio se vuelven superconductoras.

“A diferencia del acelerador de cobre que alimenta el LCLS, que funciona a temperatura ambiente, el acelerador superconductor LCLS-II funciona a 2 Kelvin, solo unos 4 grados Fahrenheit por encima del cero absoluto, la temperatura más baja posible”, dijo Eric Fauve, director de la División Criogénica de SLAC. “Para alcanzar esta temperatura, el linac está equipado con dos crioplantas de helio de clase mundial, lo que convierte a SLAC en uno de los hitos criogénicos importantes en los EE. UU. y en el mundo. El equipo de SLAC Cryogenics ha trabajado en el sitio durante la pandemia para instalar y poner en marcha el sistema criogénico y enfriar el acelerador en un tiempo récord”.

Una de estas crioplantas, construida específicamente para LCLS-II, enfría el gas helio desde la temperatura ambiente hasta su fase líquida a solo unos pocos grados por encima del cero absoluto, proporcionando el refrigerante para el acelerador.

El 15 de abril, el nuevo acelerador alcanzó por primera vez su temperatura final de 2 K y hoy, 10 de mayo, el acelerador está listo para las operaciones iniciales.

“El enfriamiento fue un proceso crítico y tuvo que hacerse con mucho cuidado para evitar dañar los módulos criogénicos”, dijo Andrew Burrill, director de la Dirección de Aceleradores de SLAC. “Estamos entusiasmados de haber alcanzado este hito y ahora podemos concentrarnos en encender el láser de rayos X”.

Animación de flujo de crioplanta

El linac está equipado con dos crioplantas de helio de clase mundial. Una de estas crioplantas, construida específicamente para LCLS-II, enfría el gas helio desde la temperatura ambiente hasta su fase líquida a solo unos pocos grados por encima del cero absoluto, proporcionando el refrigerante para el acelerador. (Greg Stewart/Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC)

Dándole vida

Además de un nuevo acelerador y una crioplanta, el proyecto requería otros componentes de vanguardia, incluida una nueva fuente de electrones y dos nuevas cadenas de imanes onduladores que pueden generar rayos X “duros” y “blandos” . Los rayos X duros, que son más energéticos, permiten a los investigadores obtener imágenes de materiales y sistemas biológicos a nivel atómico. Los rayos X suaves pueden capturar cómo fluye la energía entre los átomos y las moléculas, rastrear la química en acción y ofrecer información sobre nuevas tecnologías energéticas. Para dar vida a este proyecto, SLAC se asoció con otros cuatro laboratorios nacionales: Argonne, Berkeley Lab, Fermilab y Jefferson Lab, y la Universidad de Cornell.

Jefferson Lab, Fermilab y SLAC aunaron su experiencia para la investigación y el desarrollo de criomódulos. Después de construir los criomódulos, Fermilab y Jefferson Lab probaron cada uno exhaustivamente antes de que los recipientes fueran empacados y enviados a SLAC por camión. El equipo de Jefferson Lab también diseñó y ayudó a adquirir los elementos de las crioplantas.

“El proyecto LCLS-II requirió años de esfuerzo de grandes equipos de técnicos, ingenieros y científicos de cinco laboratorios del DOE diferentes en los EE. UU. y muchos colegas de todo el mundo”, dice Norbert Holtkamp, ​​subdirector de SLAC y director de proyectos de LCLS- II. “No podríamos haber llegado a donde estamos ahora sin estas asociaciones en curso y la experiencia y el compromiso de nuestros colaboradores”.

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Hacia las primeras radiografías

Ahora que las cavidades se han enfriado, el siguiente paso es bombearlas con más de un megavatio de potencia de microondas para acelerar el haz de electrones de la nueva fuente. Los electrones que pasan a través de las cavidades extraerán energía de las microondas, de modo que cuando los electrones hayan pasado por los 37 criomódulos, se moverán a una velocidad cercana a la de la luz. Luego serán dirigidos a través de los onduladores, forzando al haz de electrones en un camino en zigzag. Si todo está alineado correctamente, dentro de una fracción del ancho de un cabello humano, los electrones emitirán las ráfagas de rayos X más poderosas del mundo.

Este es el mismo proceso que utiliza LCLS para generar rayos X. Sin embargo, dado que LCLS-II utiliza cavidades superconductoras en lugar de cavidades de cobre caliente basadas en una tecnología de 60 años, puede entregar hasta un millón de pulsos por segundo, 10 000 veces la cantidad de pulsos de rayos X por la misma factura de energía.

Animación de la cavidad del criomódulo

Ahora que las cavidades se han enfriado, el siguiente paso es bombearlas con más de un megavatio de potencia de microondas para acelerar el haz de electrones de la nueva fuente.
Los electrones que pasan a través de las cavidades extraerán energía de las microondas, de modo que cuando los electrones hayan pasado por los 37 criomódulos, se moverán a una velocidad cercana a la de la luz. (Greg Stewart/Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC)

Una vez que LCLS-II produzca sus primeros rayos X, lo que se espera que suceda más adelante este año, ambos láseres de rayos X funcionarán en paralelo, lo que permitirá a los investigadores realizar experimentos en un rango de energía más amplio, capturar instantáneas detalladas de procesos ultrarrápidos, sondear delicado muestras y recopilar más datos en menos tiempo, aumentando el número de experimentos que se pueden realizar. Ampliará en gran medida el alcance científico de la instalación, lo que permitirá a los científicos de todo el país y de todo el mundo buscar las ideas de investigación más convincentes.

Este proyecto cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE. LCLS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

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Por Marcelo Lozano – General Publisher IT CONNECT LATAM

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Fuente: SLAC

 

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