Un instrumento de rayos X, el primero en su tipo, para la investigación de vanguardia con rayos X de alto brillo, está ahora en funcionamiento en el Laboratorio Nacional de Argonne. El nuevo dispositivo utiliza una tecnología superconductora única que acelera los electrones en un camino muy parecido al de una montaña rusa.

El dispositivo de inserción (ID), llamado ondulador superconductor helicoidal (HSCU), fue diseñado en Advanced Photon Source (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE. El dispositivo tiene tres ventajas principales sobre otros tipos de ID para producir rayos X de alto brillo:(1) genera un campo magnético más fuerte que otros ID; (2) permite a los investigadores seleccionar una sola energía del haz de rayos X sin utilizar ninguna óptica de rayos X; y (3) produce un haz de rayos X con polarización circular. Argonne desarrolló el ondulador helicoidal con $ 2 millones en fondos de la Oficina de Ciencias del DOE.

Tomados en conjunto, Estas ventajas son interesantes para los investigadores porque el dispositivo les permite recopilar datos de forma más rápida y limpia que con otros dispositivos. ya que la HSCU no requiere ópticas adicionales para realizar experimentos.

Un ID típico es un conjunto de poderosas estructuras magnéticas periódicas que crean un alto brillo, emisión de radiación de sincrotrón dirigida hacia adelante al forzar un haz de partículas cargadas almacenadas (electrones en el APS) a realizar meneos u ondulaciones a medida que pasan a través del dispositivo. La HSCU es la última de una serie de identificaciones innovadoras de dos décadas diseñadas y entregadas por científicos e ingenieros de Argonne para el APS y otras instalaciones de rayos X sincrotrón del DOE.

Un ondulador superconductor helicoidal es un dispositivo muy difícil de integrar en un anillo de almacenamiento de electrones operativo, como el de la APS, porque introduce fuertes limitaciones en el manejo del haz de electrones en el anillo de almacenamiento. Podría causar interrupciones en las operaciones del anillo y, por eso, en la entrega de rayos X a los investigadores en espera. El ingenioso diseño mecánico y magnético de la geometría de la bobina HSCU desarrollada por ingenieros y físicos de APS hace que no interrumpa el funcionamiento estable del anillo de almacenamiento APS. Los investigadores solo saben que la HSCU está ahí debido a los haces de rayos X que emite.

Efim Gluskin, un miembro distinguido de Argonne y ex director de la división de APS que ha dirigido el programa de onduladores en el APS desde sus inicios, comparó el movimiento del grupo de electrones en la HSCU con el movimiento en bucle de una montaña rusa en espiral como el paseo X Flight en el parque de atracciones Six Flags Great America cerca de Chicago. A medida que los electrones atraviesan el campo magnético del dispositivo, generan la radiación polarizada circularmente.

Pero para forzar los movimientos espirales de los electrones, se tuvo que construir un imán especial con un fuerte campo magnético en espiral. Ese objetivo se logró envolviendo cables superconductores alrededor de una sección de hierro en forma de sacacorchos. El resultado final es un electroimán superconductor de 1,1 metros de largo con muchos polos magnéticos alternos norte-sur en forma de espiral; estos polos magnéticos, cuando la HSCU está energizada, son los que envían los electrones en su camino en espiral.

La HSCU proporciona a los investigadores un haz de rayos X más intenso que permite una adquisición de datos más rápida que los onduladores convencionales. en escalas de tiempo de una milmillonésima de segundo. Y como los onduladores convencionales, el nuevo tipo de ondulador puede permitir la investigación de una variedad de fenómenos complejos, incluyendo la dinámica evolutiva del flujo de fluidos complejos y el magnetismo de los metales.

Al operar onduladores convencionales, Los científicos deben usar un dispositivo adicional equipado con componentes ópticos de rayos X llamados monocromadores para seleccionar su energía preferida de haz de rayos X. Pero la HSCU emite inmediatamente un haz de rayos X monocromático directamente desde el ondulador a la muestra que se está estudiando sin la ayuda de un monocromador. Esto no solo proporciona un haz más intenso, pero también un haz más coherente (o perfecto) ya que cualquier óptica tendrá pequeñas imperfecciones que pueden introducir distorsiones no deseadas en el haz de rayos X. Y encima de eso, la capacidad de producir radiación polarizada circularmente es importante, dado que la luz circular es sensible a las propiedades de un material como el magnetismo y la quiralidad molecular, o la mano, que la luz lineal o no polarizada no puede ver.

El nuevo ondulador comenzó a operar en la línea de rayos X Sector 7-ID del APS el 19 de enero. 2018. Esta línea de luz, que es administrado por la División de Ciencias de Rayos X de Argonne, se dedica a la medición ultrarrápida de materiales con resolución temporal. Los científicos planean utilizar el nuevo dispositivo para estudiar la dinámica de la inyección de combustible; una mejor comprensión de ese proceso podría conducir a vehículos de motor más eficientes en el consumo de combustible.

"Pueden traer este rayo directamente desde el ondulador y hacer un experimento de imágenes estándar, como si le tomaran una radiografía en el consultorio de un médico o en un centro dental. Pero puedes hacerlo muy rápido aquí, "a intervalos de una milmillonésima de segundo, dijo Jonathan Lang, director de la División de Ciencias de Rayos X de la APS.

Otra técnica que se beneficiará del nuevo ondulador es la espectroscopia de correlación de fotones de rayos X. Esta técnica es el equivalente en rayos X de hacer brillar un puntero láser contra una pared; la mancha que genera parece brillar, el resultado de variaciones de intensidad. "Eso es causado por la rugosidad de la pared, "Dijo Lang.

Si esa aspereza cambiara millones de veces por segundo, los científicos podrían detectar el cambio correspondiente en el patrón de interferencia de la pared usando espectroscopía de correlación de fotones de rayos X. La longitud de onda única proporcionada por el nuevo ondulador permitirá a los experimentadores observar cómo evolucionan los materiales en escalas de tiempo aún más rápidas de lo que era posible antes. "Al observar los rayos X y cómo se dispersan y brillan, podemos decir cómo se mueven las moléculas en el material y en qué escalas de tiempo se mueven, "Dijo Lang.

El nuevo ondulador también realizará imágenes de contraste de fase para resaltar ciertos aspectos de los fenómenos en estudio, como el combustible diesel que se compone de varios elementos ligeros llamados hidrocarburos. Las imágenes de contraste de fase pueden mejorar el contraste entre los hidrocarburos y el aire durante los experimentos, Permitir que los investigadores vean estructuras que no son posibles de observar usando imágenes de rayos X convencionales, que solo muestra variaciones de densidad. Por ejemplo, Las radiografías tomadas en el consultorio del médico muestran el hueso con mayor claridad que el tejido blando mucho más claro.

Gluskin espera que los nuevos onduladores superconductores se conviertan en una herramienta común para futuras fuentes de luz y láseres de electrones libres porque superan a los onduladores de imanes permanentes existentes en la entrega de rayos X brillantes para un amplio rango de energía. Y el HSCU en particular abre la puerta a la próxima generación de láseres de electrones libres más compactos y económicos.

La tecnología onduladora superconductora también es esencial para la actualización APS. La actualización equipará a los investigadores con una instalación de próxima generación para sondear con mayor precisión la estructura y función atómica y molecular. ampliar el liderazgo mundial de EE. UU. en la investigación científica y tecnológica de rayos X duros (longitud de onda corta) durante las próximas décadas.

"El ondulador superconductor helicoidal nos permitirá probar algunas técnicas que queremos hacer en la actualización, "Dijo Lang.