Un área conocida por la innovación y los dispositivos de alta tecnología pronto albergará un láser de rayos X superconductor avanzado que se extiende a lo largo de 3 millas. construido por una colaboración de laboratorios nacionales. El 19 de enero la primera sección del nuevo acelerador de la máquina llegó en camión al Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en Menlo Park después de un viaje a campo traviesa que comenzó en Batavia, Illinois, en Fermi National Accelerator Laboratory.

Estas secciones de 40 pies de largo, llamados cromódulos, son los componentes básicos de una importante actualización llamada LCLS-II que amplificará el rendimiento del láser de rayos X de electrones libres del laboratorio, la fuente de luz coherente Linac (LCLS).

"Se requirieron años de esfuerzo de grandes equipos de ingenieros y científicos en los Estados Unidos y en todo el mundo para hacer realidad la llegada del primer cromódulo a SLAC, "dice John Galayda, Director de proyectos de SLAC para LCLS-II. "Y marca un importante paso adelante en la construcción de esta innovadora máquina".

Dentro de los cromódulos, Las cadenas de cavidades de niobio súper frías se llenarán con campos eléctricos que aceleran los electrones a casi la velocidad de la luz. Esta tecnología superconductora permitirá que LCLS-II dispare rayos X que son, de media, 10, 000 veces más brillante que LCLS en pulsos que llegan hasta un millón de veces por segundo.

Con estas nuevas funciones, Los científicos tienen ambiciosos objetivos de investigación:examinar los detalles de materiales complejos con una resolución incomparable, Revelar eventos químicos raros y transitorios, estudiar cómo las moléculas biológicas realizan las funciones de la vida, y escudriñar el extraño mundo de la mecánica cuántica midiendo directamente los movimientos internos de átomos y moléculas individuales.

Fermi National Accelerator Laboratory está construyendo la mitad de los cromódulos para la actualización del láser LCLS-II, y Thomas Jefferson National Accelerator Facility en Newport News, Virginia, construirá la otra mitad. Fermilab Jefferson Lab y SLAC son laboratorios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE).

Después de construir los cromódulos, Fermilab y Jefferson Lab están probando cada uno de manera exhaustiva antes de que los recipientes se empaqueten y envíen por camión. Su nuevo hogar en California será el túnel anteriormente ocupado por una sección del acelerador de 2 millas de SLAC, ubicado a 30 pies bajo tierra. En homenaje a su destino en el Área de la Bahía, los cromódulos están pintados de "naranja internacional" para que coincida con el puente Golden Gate.

Un sistema de refrigeración superfrío

Los ingenieros de SLAC y sus socios están construyendo un refrigerador de crioplanta, una poderosa planta de enfriamiento que contendrá los compresores, bombas y helio necesarios para mantener el acelerador a 2 grados Celsius por encima del cero absoluto (o menos 456 grados Fahrenheit), aproximadamente a la misma temperatura que el espacio exterior.

A estas bajas temperaturas, el acelerador se convierte en lo que se conoce como superconductor, capaz de impulsar los electrones a altas energías con una mínima pérdida de energía a medida que viajan a través de las cavidades. Para cuando los electrones atraviesan los 37 cromódulos, viajarán casi a la velocidad de la luz.

Una vez que los electrones alcanzan velocidades tan altas, pasan a través de una serie de potentes imanes, llamados onduladores, que hacen rebotar el haz de electrones hacia adelante y hacia atrás para generar un rayo láser de rayos X que es mucho más brillante que el LCLS actual, pasando de 120 pulsos por segundo a 1 millón de pulsos por segundo, mucho más allá de cualquier otra instalación del mundo.

Cómo funciona un acelerador superconductor

Los segmentos del nuevo acelerador de SLAC se basan en lo que se llama tecnología de radiofrecuencia superconductora. La energía de microondas generada por encima del suelo se alimenta a través de tuberías llamadas guías de ondas a los cromódulos subterráneos. Allí, las microondas alimentan un campo eléctrico oscilante que resuena dentro de las cavidades de niobio y, finalmente, aumenta su fuerza hasta un voltaje muy alto.

Cuando el voltaje oscilante en cada cavidad se sincroniza con el ritmo de los grupos de electrones que pasan a través de las cavidades, los electrones reciben un impulso de energía y se aceleran.

"Si un diapasón, otro tipo de resonador, tuviera la misma calidad de rendimiento que una de estas cavidades superconductoras, sonaría durante más de un año, "dice Marc Ross, un físico acelerador SLAC que lidera el desarrollo de los cromódulos. "La superconductividad permite que las cavidades aceleren los electrones de forma constante onda continua sin interrupción, y con una eficiencia extremadamente alta ".

El elemento niobio es un material común para superconductores, y las cavidades están hechas con una versión extremadamente pura para minimizar cualquier pérdida eléctrica. Ocho cavidades de niobio se atornillan juntas en una cuerda dentro de cada cromódulo. Están ensamblados como "un barco en una botella, "Ross dice. Las cavidades están rodeadas por tres capas anidadas de equipo de enfriamiento, con cada capa sucesiva bajando la temperatura hasta que alcanza casi el cero absoluto.

La próxima generación de láseres de rayos X

El sistema que mantiene frías las cavidades se ha utilizado para enfriar imanes que dirigen partículas en colisionadores, incluido el Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) y el Tevatron de Fermilab.

Los cromódulos con cavidades de radiofrecuencia superconductoras aceleran los electrones que generan rayos X en el láser europeo de electrones libres de rayos X recientemente encargado. Los ingenieros de Fermilab y Jefferson Lab ajustaron el diseño de esos cromódulos para adaptar el equipo a LCLS-II. También mejoraron enormemente la calidad de las cavidades mediante una técnica llamada dopaje con nitrógeno, que produce cavidades que generan menos calor a las temperaturas más frías. Estos ajustes reducen la pérdida de energía y hacen posible un láser mucho más brillante. LCLS-II será la primera implementación a gran escala de estos últimos avances técnicos.

Para LCLS-II, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, con importantes contribuciones de diseño del Laboratorio Nacional Argonne, También creó un nuevo "cañón de electrones" avanzado para inyectar electrones en el acelerador y onduladores especializados para generar los rayos X.

Nuevas posibilidades científicas

Con pulsos más frecuentes, el láser mejorado permitirá a los científicos recopilar más datos en menos tiempo. Esto aumenta el número de experimentos que se pueden realizar y permite nuevos tipos de estudios que antes eran inconcebibles.

"En tan solo unas horas, LCLS-II podrá producir más pulsos de rayos X de los que el láser actual ha entregado en todas sus operaciones hasta la fecha. "dice Mike Dunne, director de LCLS. "Los datos que actualmente tardarían un mes en recopilarse podrían producirse en unos pocos minutos".

Los pulsos más frecuentes también aumentan la posibilidad de que los científicos puedan, por ejemplo, observar eventos raros que ocurren durante reacciones químicas o en moléculas biológicas delicadas en sus ambientes naturales. El acelerador superconductor en construcción funcionará en paralelo con el original. Los dos rayos láser abrirán tipos completamente nuevos de estudios del mundo cuántico, informando el desarrollo de materiales con características novedosas.

Se espera que los 36 cromódulos restantes lleguen a SLAC durante los próximos 18 meses. La construcción de LCLS-II comenzó el año pasado. La instalación para usuarios del DOE se abrirá a investigadores de todo el mundo con las mejores ideas para experimentos a principios de la década de 2020.

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Entonces y ahora

SLAC tiene un historial de asumir grandes proyectos desde el nacimiento del laboratorio hace más de cinco décadas. "Proyecto M" (para "Monstruo"), la construcción de un acelerador de partículas que se extiende 2 millas de largo, permitió a los científicos estudiar los componentes básicos del universo. Este acelerador lineal fue el más largo jamás construido.

En 2009, el laboratorio reutilizó un tercio del acelerador de cobre original de la década de 1960 para alimentar un haz de electrones en LCLS, el primer láser de este tipo que produce pulsos rápidos de rayos X "duros" o de alta energía para experimentos de imágenes innovadores. Otro tercio de ese linac de cobre original se ha despejado ahora para dejar espacio para la llegada de los nuevos cromódulos superconductores.