Hace poco más de una década, en abril de 2009, El primer láser de rayos X duros de electrones libres (XFEL) del mundo produjo su primera luz en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía de EE. UU. La fuente de luz coherente de Linac (LCLS) generó pulsos de rayos X mil millones de veces más brillantes que cualquier cosa anterior. Desde entonces, su desempeño ha permitido nuevos conocimientos fundamentales en una serie de campos científicos, desde la creación de "películas moleculares" de la química en acción hasta el estudio de la estructura y el movimiento de las proteínas para las nuevas generaciones de productos farmacéuticos y la reproducción de los procesos que crean la "lluvia de diamantes" dentro de los planetas gigantes de nuestro sistema solar.

El siguiente gran paso en este campo se puso en marcha en 2013, Lanzamiento del proyecto de actualización LCLS-II para aumentar la potencia del láser de rayos X miles de veces, produciendo un millón de pulsos por segundo en comparación con los 120 por segundo de hoy. Esta actualización se completará en los próximos dos años, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab) se encuentra entre un grupo de colaboradores que han hecho contribuciones importantes.

Hoy dia, entró en funcionamiento la primera fase de la actualización, producir un haz de rayos X por primera vez utilizando un elemento crítico del equipo recién instalado.

"El proyecto LCLS-II representa el esfuerzo combinado de cinco laboratorios nacionales de todo EE. UU., junto con muchos colegas de la comunidad universitaria y DOE, "dijo Chi-Chang Kao, director de SLAC. "El éxito de hoy refleja el tremendo valor de las asociaciones y la colaboración continuas que nos permiten crear herramientas y capacidades únicas líderes en el mundo".

Los XFEL funcionan en un proceso de dos pasos. Primero, aceleran un potente haz de electrones hasta casi la velocidad de la luz. Luego pasan este rayo a través de una serie de imanes exquisitamente sintonizados dentro de un dispositivo conocido como ondulador, que convierte la energía de los electrones en intensas ráfagas de rayos X. Las explosiones tienen una duración de apenas millonésimas de mil millonésimas de segundo, tan breves que pueden capturar el nacimiento de un enlace químico y producir imágenes con resolución atómica.

El proyecto LCLS-II transformará ambos elementos de la instalación mediante la instalación de un acelerador completamente nuevo que utiliza tecnología superconductora criogénica para lograr la tasa de repetición sin precedentes en un láser de electrones libres. junto con onduladores que pueden proporcionar un control exquisito del haz de rayos X.

Además de supervisar la construcción y entrega de todos los "duros, "o segmentos onduladores de rayos X de mayor energía que permitieron el último hito, Berkeley Lab también está haciendo otras contribuciones al proyecto LCLS-II.

Berkeley Lab ha diseñado y supervisado la construcción y entrega de los onduladores para la línea de rayos X "suaves" de menor energía; diseñado, construido, y entregó la fuente del inyector de alto brillo que proporciona el haz de electrones; y lidera en colaboración el desarrollo de hardware y software para el sistema de control de radiofrecuencia de bajo nivel (LLRF) que ayuda a controlar el acelerador superconductor que forma parte de la línea de rayos X suaves. Y Berkeley Lab anticipa un papel en el proyecto de actualización LCLS-II High Energy, que duplicará la energía electrónica del acelerador de rayos X duro.

Potente y preciso

Durante los últimos 18 meses, el ondulador LCLS original fue eliminado y reemplazado por dos nuevos sistemas que ofrecen nuevas capacidades dramáticas. Cada una de estas líneas onduladoras contiene miles de imanes permanentes y se extiende por más de 100 metros; juntos crean campos magnéticos que son decenas de miles de veces más fuertes que los de la Tierra. Esto genera fuerzas equivalentes a unas pocas toneladas de peso mientras mantiene la rigidez de la estructura que sostiene los imanes dentro de una centésima parte del ancho de un cabello humano.

Los nuevos onduladores de rayos X duros fueron prototipados por el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, diseñado por los laboratorios Argonne y Berkeley, construido por Berkeley Lab, y se han instalado en SLAC durante el año pasado. Los rayos X suaves y duros pueden sondear diferentes tipos y propiedades de muestras. El ondulador de rayos X suave LCLS-II, impulsado por el acelerador superconductor, aún no ha sido probado.

Hoy dia, el sistema de rayos X duros demostró su rendimiento en preparación para las campañas experimentales que se avecinan. Los científicos de la sala de control del acelerador SLAC dirigieron el haz de electrones del acelerador LCLS existente a través de la matriz de imanes en el ondulador.

En el transcurso de unas pocas horas, produjeron la primera señal de rayos X, y luego sintonizó con precisión la configuración para lograr un rendimiento láser de rayos X completo con los segmentos onduladores disponibles. Se han instalado la mayoría de los segmentos onduladores de rayos X duros, y los segmentos restantes están programados para su entrega e instalación el próximo mes.

"Alcanzar la primera luz es un hito que todos esperábamos, "dijo Henrik von der Lippe, Director de la División de Ingeniería en Berkeley Lab. "Este hito muestra cómo todo el arduo trabajo y la colaboración han dado como resultado una instalación científica que permitirá nueva ciencia".

Él agregó, "La contribución de Berkeley Lab al diseño y la fabricación de onduladores de rayos X duros aprovechó nuestra experiencia en el suministro de onduladores a instalaciones científicas y nuestra solidez de larga data en el diseño mecánico. Es gratificante ver los frutos de años de equipos dedicados de la División de Ingeniería que entregan dispositivos que cumplen con todos Expectativas."

Thomas Schenkel, director interino de la División de Física Aplicada y Tecnología Aceleradora de Berkeley Lab, dijo, "Este es un gran ejemplo de cómo nuestra base científica y nuestra experiencia en ingeniería se unen". Él agregó, "El laboratorio tiene décadas de experiencia diseñando y construyendo algunos de los onduladores más avanzados de su tiempo, y esperamos seguir contribuyendo al complejo de investigación del DOE de esta manera ".

El impacto científico de los nuevos onduladores será significativo. Un avance importante es que la separación entre los imanes se puede cambiar a pedido, permitiendo que la longitud de onda de los rayos X emitidos se sintonice para adaptarse a las necesidades de los experimentos. Los investigadores pueden usar esto para identificar el comportamiento de átomos seleccionados en una molécula, lo que, entre otras cosas, mejorará nuestra capacidad para rastrear el flujo y el almacenamiento de energía para aplicaciones avanzadas de energía solar.

El ondulador demostrado hoy podrá duplicar la energía máxima de rayos X del LCLS. Esto proporcionará información mucho más precisa sobre cómo los materiales responden al estrés extremo a nivel atómico y sobre la aparición de nuevos fenómenos cuánticos.

El "fideo":un desafiante diseño ondulador

El ondulador de rayos X duro completo tendrá 32 segmentos. Cada segmento pesa 2,3 toneladas y mide aproximadamente 13 pies de largo. El diseño de los segmentos onduladores de rayos X duros es único porque esencialmente gira el diseño ondulador tradicional 90 grados, que también planteó desafíos de ingeniería únicos.

Para encajar dentro del túnel ondulador en SLAC, los segmentos onduladores tenían que ser mucho más delgados de lo habitual; los ingenieros de Berkeley Lab llamaron al diseño el "fideo". Este diseño también hizo que el soporte de acero, o espalda fuerte, que contiene los muchos imanes en cada segmento de unduluator más sujetos a flexión no deseada debido a las aproximadamente 4 toneladas de fuerza magnética que deben soportar.

El único, El diseño rotado de los onduladores requirió una matriz de aproximadamente 150 resortes por segmento de ondulador que se puede ajustar con precisión para mantener alineados los cientos de imanes.

Pero incluso pequeños cambios de temperatura, y mecanizado simple, como atornillar nuevos componentes, alteró las estructuras de soporte del respaldo más allá de lo permitido:los dispositivos tenían que permanecer rectos dentro de las 10 millonésimas de metro.

Por lo tanto, el diseño inicial de los segmentos tuvo que repensarse por completo, dijo Matthaeus Leitner, Ingeniero principal de Berkeley Lab para los onduladores LCLS-II.

"Durante mucho tiempo no tuvimos una solución, ", Dijo Leitner." Básicamente, tuvimos que cambiar cada componente individual del dispositivo. Este fue un esfuerzo de equipo de ingenieros y técnicos altamente calificados ".

John Corlett, quien se ha desempeñado como líder del equipo senior de Berkeley Lab en el proyecto LCLS-II y ahora es Oficial de Gestión de Proyectos de Laboratorio, dijo, "Este fue un problema de ingeniería mecánica muy desafiante. Fue un esfuerzo de colaboración entre SLAC, Berkeley, y laboratorios de Argonne trabajando juntos. Realizamos varios talleres, y trabajamos juntos para resolver problemas. Es fantástico que lo hayamos logrado en el muy corto período de tiempo que necesita el proyecto ".

Leitner agregado, "Un gran punto fuerte en Berkeley Lab es la variedad de recursos de ingeniería. Si surge un problema, podemos poner inmediatamente muchos recursos en la solución de un problema. Podríamos resolver este problema aparentemente insuperable en un par de meses. Esto fue increíble. Solo fue posible porque tenemos herramientas a gran escala, dispositivos de medición de precisión, y excelente equipo de apoyo de ingeniería ".

También hubo un esfuerzo sustancial por parte de los ingenieros de Berkeley Lab para trabajar y capacitar a los tres proveedores que fabricaron y ensamblaron los onduladores. Berkeley Lab utilizó sus capacidades de medición y diseño magnético, y desarrolló métodos precisos para ensamblar y afinar eficientemente los onduladores.

El diseño de rotación única de los onduladores de rayos X duros mejorará en última instancia el rendimiento del láser de rayos X al entregar más rayos X a las muestras en los experimentos. Leitner señaló. "Le brinda un impulso significativo en la potencia de salida disponible de los rayos X duros, " él dijo.

Leitner y Corlett dijeron que el diseño, conocida como polarización vertical, probablemente será adoptado por otros láseres de rayos X de electrones libres y fuentes de luz ahora que se han resuelto los desafíos de diseño para la capacidad.

"Esto nunca se ha hecho antes, "Dijo Corlett.

Próximos pasos

Más allá de los onduladores se encuentra la carcasa frontal, o CUOTA, que contiene una serie de ópticas, diagnósticos, y dispositivos de sintonización que preparan los rayos X para experimentos específicos. Estos incluyen los más planos del mundo, los espejos más suaves que miden un metro de largo pero varían en altura solo en el ancho de un átomo en su superficie. Durante las próximas semanas, estas ópticas se probarán como preparación para más de 80 experimentos que realizarán investigadores de todo el mundo durante los próximos seis meses.

"Hoy marca el comienzo de la era LCLS-II para la ciencia de los rayos X, "dijo Mike Dunne, Director de LCLS. "Nuestra tarea inmediata será utilizar este nuevo ondulador para investigar el funcionamiento interno del virus SARS-CoV-2. Luego, los próximos dos años verán una transformación asombrosa de nuestras instalaciones. El siguiente será el ondulador de rayos X suave , optimizado para estudiar cómo fluye la energía entre átomos y moléculas, y, por tanto, el funcionamiento interno de las nuevas tecnologías energéticas. Más allá de esto, estará el nuevo acelerador superconductor que aumentará nuestra potencia de rayos X miles de veces ".

Él agregó, "El futuro es brillante, como nos gusta decir en el mundo del láser de rayos X ".