Para proporcionar haces de rayos X que sean a la vez muy brillantes y muy enfocados, un equipo de Argonne tuvo que crear un nuevo sistema de espejos, lentes y equipos para la fuente de fotones avanzada mejorada.

En la película "Aladdin, "Robin Williams expresó un enorme genio azul que vivía dentro de una pequeña lámpara mágica. El personaje describió su situación de esta manera:" ¡Poder cósmico fenomenal! ¡Un pequeño espacio habitable! "

En cierto sentido, ese es el desafío para el equipo que diseña el sistema óptico para la actualización de la fuente de fotones avanzada (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE. Cuando la instalación vuelva a estar en línea, actualmente programado para 2024, el APS actualizado entregará haces de rayos X que son hasta 500 veces más brillantes que los generados en la instalación actual. Es el trabajo del equipo de óptica descubrir cómo enfocar esos rayos intensos a tamaños increíblemente pequeños.

En breve, estos rayos extraordinariamente brillantes deben reducirse a pequeños tamaños de punto, a menudo más pequeño que un micrón, es decir, más pequeño que las bacterias o las células sanguíneas. Los científicos utilizarán estos rayos extremadamente brillantes para descubrir las propiedades de materiales novedosos para nuevos dispositivos, por ejemplo, o para ayudar a desarrollar la próxima generación de medicamentos que mejorarán nuestra vida diaria.

Las fuentes de luz como el APS utilizan una combinación de espejos, dispositivos complejos llamados monocromadores, y lentes para manipular y enfocar haces de rayos X de diversas formas. Todos estos componentes están instalados en estaciones finales del experimento llamadas líneas de luz ubicadas alrededor del APS. Los científicos de todo el mundo utilizan esos rayos X para realizar descubrimientos científicos. La actualización de esta máquina requerirá nueva tecnología y componentes ópticos de nuevo diseño que sean más precisos que los que se utilizan en el APS actual.

"Todas las líneas de luz, incluidas nueve de nueva construcción y 15 con mejoras significativas, serán de vanguardia, y diseñado para hacer algo que no podíamos hacer antes, "dijo Lahsen Assoufid, líder del Grupo de Óptica en la División de Ciencias de Rayos X (XSD) de Argonne. "Estamos diseñando ópticas completamente nuevas para las nueve nuevas líneas de luz. No hay ópticas existentes que podamos reutilizar para ellas".

Después de la actualización, el APS generará una fuente de rayos X de aproximadamente 10 micrones verticalmente y 30 micrones horizontalmente, mucho más pequeño que el que ofrece la instalación ahora. Assoufid y su equipo están encargados de diseñar un sistema que permitirá a los científicos enfocar ese rayo muy brillante a tamaños increíblemente pequeños. El sistema debe hacerlo preservando también la coherencia de los rayos X. La coherencia es la calidad de la luz que le permite transportar información cuando rebota en las superficies. Cuando estos haces de rayos X mejorados difractan de una muestra, entregarán más información sobre esa muestra a los detectores, resultando en una imagen más detallada.

"Queremos asegurarnos de que se conserve un haz coherente, Assoufid dijo. Creo que ese es el mayor desafío. Queremos que los espejos conserven la calidad del haz en la óptica de enfoque. Queremos toda esta luz coherente en un tamaño de punto pequeño, para acelerar el tiempo de medición ".

Xianbo Shi es físico con XSD, y ha estado diseñando varios de estos nuevos sistemas con la ayuda del personal de cada línea de luz con la que trabaja. En total, él dijo, la actualización de APS va a requerir más de 1, 700 lentes y cerca de 60 espejos muy pulidos. Cada uno de los sistemas ópticos tuvo que estar especialmente diseñado con el máximo detalle. Tan exigente De hecho, que no existía la tecnología para diseñarlos de manera eficiente:el equipo de óptica de actualización de APS tuvo que desarrollar su propio software, mejorando el estado del arte, antes de que pudieran seguir adelante.

"En cada paso, utilizamos el mejor software y desarrollamos sobre él, ", Dijo Shi." Tenemos que diseñar el software para que podamos diseñar la óptica ".

Los espejos que se han diseñado, Shi dijo, son el estado del arte más exigente del mundo. Solo hay un par de empresas en el mundo que pueden fabricarlas, él dijo, porque para preservar las cualidades de la viga, los espejos tienen que ser casi perfectamente lisos. Esto va más allá del pulido químico mecánico tradicional y elimina los átomos de sus superficies uno por uno.

De hecho, Assoufid dijo:sólo hay una empresa en el mundo que puede ofrecer la suavidad que requieren algunos de estos espejos. Aproximadamente 20 de los espejos necesarios para la actualización provendrán de esta empresa, él dijo. Se tarda aproximadamente un año en hacer espejos como estos, y si no pasan la inspección, la empresa tendrá que empezar de nuevo casi desde cero.

Las lentes no necesitan ser tan suaves, Shi dijo, pero su diseño y fabricación aún son extremadamente detallados. Las lentes son cóncavas, lo que significa que se curvan hacia adentro. Esa curva debe crearse exactamente de acuerdo con las especificaciones de diseño para que enfoquen el haz según lo previsto.

El equipo de óptica también ha estado desarrollando tecnología que utiliza inteligencia artificial para permitir que algunas líneas de luz cambien el tamaño del haz de forma rápida y precisa. sin necesidad de que los científicos hagan ajustes. ATÓMICO, una de las nuevas líneas de luz de funciones, está diseñado para sondear la estructura, propiedades químicas y físicas de las muestras con una precisión sin precedentes. A veces, eso requerirá que los científicos se centren en el tamaño del rayo sobre la marcha.

"La óptica del espejo con zoom significa que necesita dos pares de espejos de enfoque, para que el tamaño del haz pueda cambiar en la muestra, "Assoufid explicó." Los científicos de Beamline no tienen tiempo para alinear los espejos, por lo que tiene que hacerse automáticamente. Si quieren enfocar el rayo en un punto, y luego cambia el tamaño, pueden obtener imágenes de su muestra a diferentes escalas ".

Los espejos y lentes necesarios para la actualización APS son tan precisos que algunos de ellos solo pueden probarse con un haz de rayos X real. A medida que llegan al laboratorio desde las empresas que los fabrican, el equipo los estará verificando en el Sector 1 del APS además de realizar la metrología óptica tradicional. Cada espejo tarda hasta una semana o más en probarse, y el equipo tuvo que desarrollar nuevas herramientas y tecnología para hacer esto. También han estado creando nuevos sistemas de diagnóstico para cada una de las líneas de luz, midiendo lo que antes no se podía medir.

"La calidad del haz es importante, así que necesitamos una forma de medirlo "Dijo Shi." Así que dedicamos algunos esfuerzos a desarrollar una nueva tecnología de prueba de frente de onda. Mejora el estado del arte. Podemos monitorear la línea de luz al cambiar la óptica y recopilar información para controlar esa óptica ".

Los nuevos espejos Se instalarán lentes y otros equipos durante el período de un año en el que el APS se cierre para la construcción de mejoras. El período de instalación está programado para comenzar en abril de 2023. Cuando el nuevo sistema óptico esté terminado, Assoufid dijo:el efecto será como darle al APS un nuevo par de anteojos. Lo que antes era borroso y difícil de ver ahora se enfocará.

"Seré feliz cuando veamos la primera luz, ", dijo." Hemos avanzado mucho, pero hay mucho trabajo por hacer. Estoy emocionado, pero estaré completamente satisfecho cuando todo esté terminado ".