Расположенный на глубине 30 футов под землей в Менло-Парке, штат Калифорния, участок туннеля длиной в полмили сейчас холоднее, чем большая часть вселенной. В нем находится новый сверхпроводящий ускоритель частиц, являющийся частью проекта модернизации рентгеновского лазера на свободных электронах Linac Coherent Light Source (LCLS) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики.

Экипажи успешно охладили ускоритель до минус 456 градусов по Фаренгейту — или 2 Кельвина — температуры, при которой он становится сверхпроводящим и может доводить электроны до высоких энергий с почти нулевыми потерями энергии в процессе. Это одна из последних вех перед тем, как LCLS-II будет производить рентгеновские импульсы, которые в среднем в 10 000 раз ярче, чем импульсы LCLS, и которые приходят до миллиона раз в секунду — мировой рекорд для самого мощного рентгеновского излучения на сегодняшний день. лучевые источники света.

«Всего за несколько часов LCLS-II произведет больше импульсов рентгеновского излучения, чем нынешний лазер сгенерировал за всю свою жизнь», — говорит Майк Данн, директор LCLS. «Данные, на сбор которых раньше могли уйти месяцы, теперь можно получить за считанные минуты. Это выведет рентгеновскую науку на новый уровень, проложив путь для целого ряда новых исследований и расширив наши возможности по разработке революционных технологий для решения некоторых из самые глубокие проблемы, стоящие перед нашим обществом».

Благодаря этим новым возможностям ученые могут исследовать детали сложных материалов с беспрецедентным разрешением, чтобы использовать новые формы вычислений и коммуникаций; раскрывать редкие и мимолетные химические явления, чтобы научить нас создавать более устойчивые отрасли промышленности и экологически чистые энергетические технологии; изучать, как биологические молекулы выполняют жизненные функции, для разработки новых видов фармацевтических препаратов; и загляните в причудливый мир квантовой механики, непосредственно измеряя движение отдельных атомов.

Охлаждающий подвиг

LCLS, первый в мире жесткий рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL), произвел свой первый свет в апреле 2009 года, генерируя рентгеновские импульсы в миллиард раз ярче, чем все, что было раньше. Он ускоряет электроны через медную трубку при комнатной температуре, что ограничивает его скорость до 120 рентгеновских импульсов в секунду.

В 2013 году SLAC запустил проект модернизации LCLS-II, чтобы увеличить эту скорость до миллиона импульсов и сделать рентгеновский лазер в тысячи раз более мощным. Для этого бригады сняли часть старого медного ускорителя и установили серию из 37 модулей криогенного ускорителя, в которых размещены жемчужные струны полостей из металлического ниобия. Они окружены тремя вложенными друг в друга слоями охлаждающего оборудования, и каждый последующий слой снижает температуру почти до абсолютного нуля — условия, при которых ниобиевые полости становятся сверхпроводящими.

«В отличие от медного ускорителя, питающего LCLS, который работает при температуре окружающей среды, сверхпроводящий ускоритель LCLS-II работает при температуре 2 Кельвина, что всего на 4 градуса по Фаренгейту выше абсолютного нуля, самой низкой возможной температуре», — сказал Эрик Фов, директор криогенного отдела в СЛАК. «Чтобы достичь такой температуры, линейный ускоритель оснащен двумя гелиевыми криоустановками мирового класса, что делает SLAC одним из значительных криогенных ориентиров в США и во всем мире. Команда SLAC Cryogenics работала на месте на протяжении всей пандемии, чтобы установить и ввести в эксплуатацию криогенную систему и охладить ускоритель в рекордно короткие сроки».

Одна из этих криоустановок, построенная специально для LCLS-II, охлаждает газообразный гелий от комнатной температуры до его жидкой фазы всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, обеспечивая охлаждающую жидкость для ускорителя.

15 апреля новый ускоритель впервые достиг своей конечной температуры 2 К и сегодня, 10 мая, ускоритель готов к пусковым работам.

«Охлаждение было критическим процессом, и его нужно было выполнять очень осторожно, чтобы не повредить криомодули», — сказал Эндрю Беррилл, директор SLAC. «Мы рады, что достигли этой вехи и теперь можем сосредоточиться на включении рентгеновского лазера».

Воплощение в жизнь

В дополнение к новому ускорителю и криоустановке для проекта требовались другие передовые компоненты, в том числе новый источник электронов и две новые цепочки ондуляторных магнитов, которые могут генерировать как «жесткое», так и «мягкое» рентгеновское излучение. Жесткие рентгеновские лучи, обладающие большей энергией, позволяют исследователям отображать материалы и биологические системы на атомном уровне. Мягкие рентгеновские лучи могут фиксировать, как энергия течет между атомами и молекулами, отслеживать химию в действии и предлагать информацию о новых энергетических технологиях. Чтобы воплотить этот проект в жизнь, SLAC объединился с четырьмя другими национальными лабораториями — Argonne, Berkeley Lab, Fermilab и Jefferson Lab — и Корнельским университетом.

Jefferson Lab, Fermilab и SLAC объединили свой опыт для исследований и разработок криомодулей. После создания криомодулей Фермилаб и Лаборатория Джефферсона тщательно протестировали каждый из них, прежде чем сосуды были упакованы и отправлены в SLAC на грузовиках. Команда лаборатории Джефферсона также разработала и помогла приобрести элементы криоустановок.

«Проект LCLS-II потребовал многолетних усилий больших групп техников, инженеров и ученых из пяти различных лабораторий Министерства энергетики США и многих коллег со всего мира», — говорит Норберт Холткамп, заместитель директора SLAC и руководитель проекта LCLS. II. «Мы не смогли бы добиться того, что имеем сейчас, без этих постоянных партнерских отношений, а также опыта и приверженности наших сотрудников».

К первым рентгеновским снимкам

Теперь, когда полости охлаждены, следующим шагом будет накачка их более чем мегаваттной мощностью микроволн для ускорения электронного луча от нового источника. Электроны, проходящие через полости, будут черпать энергию из микроволн, так что к тому времени, когда электроны пройдут через все 37 криомодулей, они будут двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Затем они будут направляться через ондуляторы, заставляя электронный пучок двигаться по зигзагообразной траектории. Если все выровнено правильно — с точностью до доли ширины человеческого волоса — электроны будут излучать самые мощные в мире вспышки рентгеновского излучения.

Это тот же процесс, который LCLS использует для создания рентгеновских лучей. Однако, поскольку LCLS-II использует сверхпроводящие резонаторы вместо теплых медных резонаторов на основе технологии 60-летней давности, он может передавать до миллиона импульсов в секунду, что в 10 000 раз превышает количество импульсов рентгеновского излучения при том же счете за электроэнергию.

Как только LCLS-II произведет свои первые рентгеновские лучи, что, как ожидается, произойдет в конце этого года, оба рентгеновских лазера будут работать параллельно, что позволит исследователям проводить эксперименты в более широком диапазоне энергий, делать подробные снимки сверхбыстрых процессов, исследовать тонкие образцы и собирать больше данных за меньшее время, увеличивая количество экспериментов, которые можно выполнить. Это значительно расширит научные возможности объекта, позволяя ученым со всей страны и всего мира реализовывать самые интересные исследовательские идеи.