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Dec 20, 2023

Los electrones ahora se mueven a través del acelerador superconductor que alimentará el X de SLAC

La instalación está ahora a unos pasos de liberar un flujo sin precedentes de rayos X ultrabrillantes. Por David Krause Después de más de una década de trabajo, los electrones ahora vuelan a través de un nuevo superconductor

La instalación está ahora a unos pasos de liberar un flujo sin precedentes de rayos X ultrabrillantes.

Por David Krause

Después de más de una década de trabajo, los electrones ahora vuelan a través de un nuevo acelerador superconductor en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, preparándose para alimentar el láser de electrones libres de rayos X más potente del mundo. Este proyecto, denominado Linac Coherent Light Source II (LCLS-II), está ahora a pasos de liberar destellos de rayos X que abrirán una nueva era en la investigación científica a ese nivel atómico.

"Ver a los electrones atravesar el LCLS-II es una prueba de que nuestra idea de crear la fuente de una máquina de rayos X superconductora extremadamente potente en SLAC va a funcionar", Dan Gonnella, científico principal de SLAC y líder del grupo. en la dirección del acelerador, dijo. "Teníamos confianza en nuestro trabajo, pero hasta que ves que los primeros electrones realmente logran pasar, sientes las mariposas".

Para enviar electrones a través de la instalación, equipos de cuatro laboratorios nacionales (Argonne, Berkeley Lab, Fermilab y Jefferson Lab) y la Universidad de Cornell trabajaron juntos durante casi 10 años para construir todos los componentes de próxima generación de la instalación. En 2019, los equipos instalaron un cañón de electrones de última generación, mientras que el año pasado, los equipos pusieron en marcha una planta de refrigeración de helio que reduce la temperatura de la instalación a dos kelvin, más fría que el espacio exterior.

LCLS-II producirá rayos X que son 10.000 veces más brillantes que los de la instalación de láser de electrones libres existente en SLAC, LCLS, una actualización histórica que abrirá vistas antes inimaginables sobre algunas de las cuestiones científicas más apremiantes de nuestro tiempo. La instalación liberará un millón de destellos de rayos X por segundo, mucho más que la tasa actual de LCLS de 120 destellos por segundo. Las ráfagas de rayos X más brillantes y rápidas permitirán a los científicos abordar desafíos como comprender cómo adaptar soluciones naturales para recolectar energía solar para una nueva generación de combustibles limpios, inventar métodos de fabricación sostenibles para la industria y diseñar una nueva generación de medicamentos. basado en la capacidad de crear películas moleculares de cómo nuestros cuerpos responden a las enfermedades.

"No estamos respondiendo sólo a unas pocas preguntas con el nuevo acelerador superconductor, estamos permitiendo que los científicos respondan una cantidad increíble de preguntas", dijo el director de ingeniería electrónica de SLAC, Andy Benwell.

El niobio ayuda a los electrones a volar

La temperatura de funcionamiento extremadamente fría del LCLS-II permite que la instalación funcione de manera muy eficiente y conduzca electricidad con una resistencia casi nula. Pero construir un acelerador que tenga una resistencia cercana a cero requiere materiales específicos, incluido el niobio, que es un metal de tierras raras que se utiliza en otros tipos de máquinas, como turbinas eólicas y motores a reacción.

Para LCLS-II, una serie de brillantes cavidades de niobio con forma de reloj de arena aceleran los electrones dentro de los 37 criomódulos de la instalación. Cada criomódulo tiene ocho cavidades de niobio, lo que significa que LCLS-II tiene casi 300 cavidades, suficientes para extender la longitud de aproximadamente tres campos de fútbol. Las cavidades de niobio aceleran los electrones hasta que vuelan casi a la velocidad de la luz hacia la sala ondulada, donde pasarán a través de una serie de imanes exquisitamente sintonizados que los obligan a recorrer un camino en zigzag y emitir energía en forma de rayos X. Luego, estos rayos X se envían a un conjunto de instrumentos especializados para que los investigadores puedan realizar experimentos.

Las cavidades permiten que LCLS-II entregue un flujo de pulsos sin precedentes que permitirá a los investigadores tomar películas detalladas de procesos de tamaño atómico en la naturaleza. Estas películas tendrán una resolución mucho mayor que las fotografías tomadas en LCLS: hasta 8.000 veces el número de fotogramas por segundo que las del acelerador existente.

"El seguimiento del movimiento de átomos y moléculas en películas en tiempo real abrirá una nueva frontera para la ciencia de los rayos X y será innovador para los experimentos que se llevarán a cabo en todo el mundo", dijo Gonnella.

Evitando el polvo durante una década

Nada daña tanto el rendimiento del acelerador como el polvo. Incluso las cantidades más pequeñas de polvo pueden destruir el funcionamiento de las cavidades superconductoras. Además, si el polvo llega al inyector del acelerador, la trayectoria de los electrones se vuelve menos controlable, produciendo una "corriente oscura" que puede generar rayos X aleatorios y no deseados. Demasiada corriente oscura dentro de un acelerador puede arruinar sus imanes onduladores.

"Ciertamente hubo oportunidades para que las partículas de polvo se colaran en nuestro nuevo acelerador superconductor", dijo John Schmerge, director de la Dirección de Aceleradores de SLAC. “Los equipos construyeron las cavidades de niobio en instalaciones que están a 1.800 o 3.000 millas de SLAC años antes de que las instaláramos aquí. Es posible que las cavidades estuvieran limpias y funcionaran bien en aquel entonces, pero luego hay que envolverlas y enviarlas a todo el país en camiones. Luego tuvimos que instalar los criomódulos en nuestro túnel durante la temporada de incendios en California y soldarlos, todo lo cual puede introducir polvo”.

El acelerador de partículas superconductoras de SLAC utilizará electrones para producir rayos X. ¿Pero por qué los electrones? ¿Por qué no otra partícula, como los protones?

Resulta que la respuesta es bastante simple. En primer lugar, los electrones son más ligeros que otras partículas aceleradoras comunes, como los protones. Debido a que son más livianos, es más fácil acelerarlos a casi la velocidad de la luz, lo que hace que la instalación sea más eficiente y ayuda a los investigadores a generar el tipo de rayos X rápidos y brillantes necesarios para sus experimentos en SLAC.

En segundo lugar, los electrones son más fáciles de producir que otros tipos de partículas. Para iniciar el rayo láser de electrones del LCLS-II, un cañón de electrones tiene que liberar los electrones de los átomos, de ahí el nombre de láser de electrones libres de rayos X, o XFEL. Dado que los electrones son más ligeros y más fáciles de extraer de los átomos que otras partículas, los científicos los eligen como partícula de referencia para los experimentos con láser de rayos X.

Evitar una cierta cantidad de polvo es prácticamente imposible, afirmó Schmerge. El polvo existe en la mayoría de los entornos de trabajo: cada vez que se frotan dos superficies, se generan cientos de miles de partículas. Así que todo el trabajo de montaje tuvo que realizarse muy, muy lentamente y en un entorno bien controlado.

Afortunadamente, las personas que trabajaron incansablemente durante años en el acelerador superconductor hicieron un trabajo fenomenal, afirmó Schmerge. Hicieron todo lo posible para producir una máquina superconductora limpia y de clase mundial, afirmó. La nueva instalación lo demuestra: su rendimiento ha sido tan bueno como cuando las cavidades se fabricaron por primera vez en laboratorios asociados. Esto ha permitido a SLAC alcanzar el hito de acelerar los electrones a una energía de 3.500 millones de electronvoltios, o más del 99,9999992% de la velocidad de la luz.

El camino hacia la primera luz

Los electrones ahora vuelan a través del acelerador, entonces, ¿está LCLS-II listo para experimentos? No exactamente.

En el próximo mes, el equipo se centrará en mejorar la calidad del haz de electrones, listo para ser dirigido a los onduladores magnéticos para producir rayos X. Sin un haz de alta calidad, es posible que no puedas realizar los experimentos que pensabas, dijo Schmerge. Sería como intentar utilizar una linterna en el bosque por la noche. Cuando enciendes la linterna por primera vez, es posible que solo veas diez o veinte pies frente a ti. Sin embargo, si comienzas a enfocar el haz de la linterna ajustando su lente, podrás ver más profundamente en el bosque a medida que la luz viaja más lejos antes de extenderse y disiparse.

"Si tienes un haz de electrones agradable y ajustado, obtienes una mejor producción de rayos X", dijo Schmerge. "Mientras que si el haz de electrones está completamente extendido, no se obtienen muchos fotones al final del túnel".

Aunque todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que se generen los rayos X, el equipo siente una importante sensación de logro, añadió el científico de SLAC Axel Brachman.

"Producir un haz de electrones de alta energía nos da la sensación de que todo funciona como esperábamos", dijo Brachman. "El potente haz es un destello de luz al final del largo túnel de nuestro proyecto".

SLAC es un vibrante laboratorio multiprograma que explora cómo funciona el universo en las escalas más grande, más pequeña y más rápida e inventa poderosas herramientas utilizadas por científicos de todo el mundo. Con investigaciones que abarcan física de partículas, astrofísica y cosmología, materiales, química, ciencias biológicas y energéticas e informática científica, ayudamos a resolver problemas del mundo real y promover los intereses de la nación.

SLAC es operado por la Universidad de Stanford para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.

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