Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Y el Laboratorio Nacional Argonne han colaborado para diseñar, construir y probar dos dispositivos que utilizan diferentes materiales superconductores y podrían hacer que los láseres de rayos X sean más potentes, versátil, compacto y duradero.

Estos prototipos de dispositivos, llamados onduladores superconductores (SCU), produjo con éxito campos magnéticos más fuertes que los onduladores magnéticos permanentes convencionales del mismo tamaño. Estos campos, Sucesivamente, puede producir luz láser de mayor energía para abrir una gama más amplia de experimentos.

Se están trabajando varios láseres de rayos X a gran escala en todo el mundo para permitir a los científicos sondear las propiedades de la materia a escalas cada vez más pequeñas y rápidas. y los onduladores superconductores se consideran entre las tecnologías más habilitadoras para la próxima generación de estos y otros tipos de fuentes de luz.

Estas fuentes de luz son herramientas poderosas para estudiar la estructura microscópica y otras propiedades de las muestras. como las proteínas que son clave para el diseño de fármacos, materiales exóticos relevantes para aplicaciones de electrónica y energía, y química que es fundamental para los procesos industriales como la producción de combustible.

El reciente esfuerzo de desarrollo fue motivado por la actualización del SLAC National Accelerator Laboratory de su fuente de luz coherente Linac (LCLS), que es el único láser de rayos X de electrones libres (FEL) del país. El nuevo proyecto, ahora en marcha, se conoce como LCLS-II.

Los FEL de rayos X ahora usan onduladores magnéticos permanentes para producir luz de rayos X moviendo grupos de electrones de alta energía en campos magnéticos alternos producidos por una secuencia de imanes permanentes.

Pero por primera vez Los científicos de Argonne han demostrado que un ondulador superconductor podría utilizarse como amplificador láser de electrones libres para los FEL de rayos X contemporáneos.

El equipo del Advanced Photon Source (APS) del Departamento de Energía en Argonne construyó y probó con éxito un prototipo de imán SCU de 1,5 metros de largo diseñado para cumplir con los requisitos del ondulador FEL. Esta SCU utiliza un cable superconductor de niobio-titanio para enrollar sus bobinas magnéticas.

Este logro significativo podría allanar el camino para expandir el rango de energía de los rayos X en las fuentes de luz existentes sin aumentar la energía del haz de electrones. Este es un punto importante porque el costo de construcción de las instalaciones ligeras se define principalmente por la energía del haz de electrones, dijo Efim Gluskin, un miembro distinguido de Argonne y un físico y líder de grupo interino del Grupo de Dispositivos Magnéticos en la División de Sistemas Aceleradores de APS.

Gluskin dijo que la SCU basada en niobio y titanio ha sido diseñada para cumplir con todos los desafiantes requisitos técnicos aplicados al ondulador FEL de rayos X, incluyendo calidad de campo de alta precisión y consistencia a lo largo del imán. De hecho, Se ha demostrado experimentalmente que este dispositivo cumple todos estos requisitos. El equipo de APS SCU ha utilizado sistemas criogénicos desarrollados internamente y técnicas de medición magnética para validar el rendimiento de la SCU.

"El principal desafío es mantener el movimiento constante de los electrones dentro de una SCU, "dijo Gluskin, agregando que el rango de desviación aceptada de la línea recta del movimiento del rayo a lo largo de la distancia de varios metros es solo de unas pocas micras. Para comparacion, un cabello humano promedio tiene 100 micrones de ancho.

"Eso conduce a requisitos muy estrictos sobre la calidad del campo magnético generado por los imanes SCU, "Dijo Gluskin.

Paul Emma de SLAC, el líder de física del acelerador para el proyecto de actualización LCLS-II coordinó el esfuerzo de desarrollo del ondulador superconductor.

"Con onduladores superconductores, "Emma dijo, "No necesariamente reduce el costo, pero obtiene un mejor rendimiento para el mismo tramo de ondulador".

Un ondulador superconductor de longitud equivalente a un ondulador magnético permanente podría producir luz que sea al menos dos o tres veces y quizás hasta 10 veces más potente. y también podría acceder a un rango más amplio de longitudes de onda de rayos X, Dijo Emma. Esto produce un FEL más eficiente.

Los onduladores superconductores no tienen partes móviles macroscópicas, por lo que posiblemente podrían sintonizarse más rápidamente con alta precisión. Los superconductores también son mucho menos propensos a sufrir daños por radiación de alta intensidad que los materiales de imanes permanentes. un problema importante en los aceleradores de alta potencia como los que se instalarán para LCLS-II.

Parece haber un camino claro hacia el desarrollo de onduladores superconductores para actualizaciones de láseres de electrones libres de rayos X nuevos y existentes. Emma dijo, y para otros tipos de fuentes de luz.

"Los onduladores superconductores serán la tecnología a la que recurriremos eventualmente, ya sea en los próximos 10 o 20 años, ", dijo." Son lo suficientemente poderosos como para producir la luz que vamos a necesitar, creo que va a suceder. La gente sabe que es un paso suficientemente grande y tenemos que llegar allí ".

En este caso, El equipo de APS desarrolló la tecnología de construcción de SCU para entregar un dispositivo listo para usar desde el banco de ensamblaje.

"El equipo de SCU encontró soluciones únicas para hacer que este ondulador funcione dentro de las estrictas especificaciones del sistema de ondulador LCLS, "dijo Yury Ivanyushenkov, un físico de la División de Sistemas Aceleradores de Argonne. "A través de los años, El equipo de SCU ha reunido un sólido conjunto de pasos y procesos tecnológicos para diseñar y construir onduladores superconductores de última generación que operan con éxito en el APS. El éxito de este proyecto es el resultado directo de los sistemas e instalaciones implementados en el APS ".

Geoffrey Pile, Director de División Asociado de la División de Soporte de Ingeniería de APS en Argonne y ex director del proyecto ondulador APS LCLS-I, dijo que APS tiene una larga historia y experiencia en el diseño y construcción de onduladores para APS y otros laboratorios nacionales.

Uno de los proyectos de Argonne fue el diseño y construcción del sistema ondulador LCLS-I:440 pies de sofisticados componentes técnicos que incorporaron 33 onduladores de vanguardia. La instalación LCLS-I en el SLAC National Accelerator Laboratory ha estado funcionando con éxito durante más de siete años.

Además, Los científicos e ingenieros de APS diseñaron y construyeron recientemente un nuevo y revolucionario prototipo de ondulador de polarización vertical de espacio horizontal para el proyecto LCLS-II. Fue adoptado e incorporado al diseño final de LCLS-II, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus socios industriales construirán 32 unidades de producción para SLAC.

"Durante las últimas dos décadas, el equipo de ingeniería de APS ha estado construyendo onduladores para su uso en Argonne y en todo el país, y la SCU puede ser el proyecto más desafiante hasta ahora, ", Dijo Pile." Ha hecho avanzar la tecnología a pasos agigantados y destaca la experiencia en todo el APS. En tono rimbombante, muchos socios industriales, gente en Argonne, y nuestros colaboradores en SLAC y Berkeley contribuyeron al éxito de este proyecto y merecen crédito ".

Gluskin estuvo de acuerdo:"El desarrollo de este prototipo es la culminación de más de una década de compromisos de Argonne con la nueva e innovadora tecnología SCU que beneficiará a todas las fuentes de luz DOE".