El eje central para potentes haces de electrones en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía se está renovando para preparar la instalación de LCLS-II, una actualización importante de la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS), el primer láser de electrones libres de rayos X duros del mundo. LCLS-II entregará los rayos X más potentes jamás realizados en un laboratorio, con vigas que son 10, 000 veces más brillante que antes, abriendo oportunidades de investigación sin precedentes en química, ciencia de los Materiales, investigación en biología y energía.

El centro llamado Beam Switch Yard (BSY), es una sección de 600 pies de largo ubicada en el extremo este del histórico acelerador lineal de 2 millas de largo (linac) del laboratorio, donde los electrones de alta energía del acelerador se redirigen a estaciones experimentales. Estos "trenes de electrones" recuerdan las diferentes líneas de un sistema de metro que conecta varios lugares de una ciudad.

"El nuevo diseño BSY despeja el camino para LCLS-II y permite el conjunto más amplio de opciones para el futuro láser de rayos X, "dice Scott DeBarger de SLAC, gerente del Proyecto de Reconfiguración BSY.

LCLS de hoy, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, usa una sola línea de electrones que comienza en un inyector de electrones al comienzo del último tercio del acelerador de cobre original del linac y termina justo después del ondulador LCLS, una serie de imanes que convierte la energía de los electrones en rayos X ultrabrillantes.

Pero la futura instalación necesitará más conexiones. Además del linac de cobre, LCLS-II tendrá un acelerador superconductor que aumentará la velocidad de disparo del láser de rayos X hasta un millón de pulsos por segundo. El ondulador actual también será reemplazado por dos onduladores de última generación para la generación de rayos X de baja (suave) y alta energía (dura). La reconfiguración de BSY asegura que ambos haces de electrones podrán alimentarse en cualquier ondulador, que requiere cuatro líneas principales.

Para dar a los investigadores de LCLS-II control sobre la tasa de pulsos de rayos X en sus experimentos, otra línea puede dirigir trenes de electrones procedentes del linac superconductor hacia un vertedero de rayos antes de que alcancen los onduladores.

Una sexta línea conducirá a la estación final A para experimentos que utilizan directamente los rayos de electrones extremadamente potentes.

El ingeniero mecánico y gerente de sistemas de SLAC, José Chan, y su equipo diseñaron la línea de luz LCLS-II que atraviesa el área de reconfiguración de BSY. incluyendo una cámara de vacío que une el linac superconductor LCLS-II a la línea de luz del linac de cobre que se usa actualmente para los onduladores de rayos X duros.

Una operación de limpieza monumental

Para despejar el camino para LCLS-II, Los equipos primero tuvieron que eliminar todos los materiales innecesarios del BSY, una tarea monumental considerando la rica historia de SLAC en ciencia de aceleradores y el material heredado que creó.

"Cuando terminen los experimentos, la mayor parte del equipo antiguo normalmente se deja en su lugar, "dice Mark Woodley de SLAC, un diseñador de óptica involucrado en el Proyecto de Reconfiguración de BSY. "Sólo se eliminan las cosas que están en el camino de nuevos experimentos".

En sus primeros días en la década de 1960, el linac envió haces de electrones a tres estaciones experimentales. Había una línea que iba directamente al patio de investigación del laboratorio. Hoy esta línea continúa hasta el ondulador LCLS. Los imanes pulsados ​​en el BSY podrían desviar el haz hacia las estaciones finales A y B a través de dos líneas de haz que se bifurcan desde la línea central.

En 1980, se agregaron dos ramas más para alimentar electrones y positrones, los hermanos antipartículas de los electrones, en los dos anillos de almacenamiento del acelerador PEP (PEP-II de 1999). En 1987, se necesitaron otras dos ramas para enviar haces a los dos brazos del Stanford Linear Collider (SLC).

La mayoría de los materiales antiguos que quedaron en el BSY por estos experimentos ya han sido eliminados, un trabajo que requirió a 300 empleados y subcontratistas casi 24, 000 horas de trabajo en el período de diciembre de 2016 a mayo de 2017. Removieron 325 yardas cúbicas, o unas 24 toneladas, de material, suficiente para llenar ocho contenedores de transporte marítimo-terrestre, y más de 300, 000 pies de cables.

"Teniendo en cuenta la monumental tarea que teníamos por delante, es realmente impresionante lo bien que salió este proyecto, "Dice DeBarger." Se involucró a muchas personas de dentro y fuera del laboratorio, y cada uno de ellos era absolutamente necesario ".

Construyendo el futuro de la ciencia de los rayos X

Después de limpiar el BSY, Los miembros del Proyecto de Reconfiguración instalaron una nueva línea de luz que va desde el linac de cobre hasta el ondulador LCLS actual. En paralelo, El sistema para extraer electrones para la línea End Station A fue puesto en marcha por otro equipo del proyecto.

"También instalamos la primera tubería de viga LCLS-II al final de un 'escudo de muones' que está construido con bloques de acero de 5 y 10 toneladas y protege la sala de transporte de vigas aguas abajo del BSY, permitiendo el acceso mientras los haces están sintonizados en el BSY, "dice Dean Hanquist, gerente de cuentas de control en el equipo de Chan.

"En el final, teníamos que asegurarnos de que todo vuelva a funcionar correctamente para LCLS, que ahora ha reanudado su programa experimental, ", dice el físico del área de BSY, Tonee Smith." Por ejemplo, todos los imanes utilizados en la línea de luz para enfocar el haz de electrones y hacer pequeñas correcciones fueron reacondicionados, y tuvimos que volver a medirlos y probarlos ".

Las líneas de luz y uniones restantes se instalarán durante un tiempo de inactividad de LCLS de un año, que comenzará en el verano de 2018. Una vez completado, el nuevo "sistema de metro" BSY estará listo para transportar trenes de electrones a la nueva instalación de láser de rayos X, donde impulsarán la ciencia de rayos X innovadora en los próximos años.