Con una luz lo suficientemente potente puedes ver cosas que la gente alguna vez pensó que serían imposibles. Las instalaciones de fuentes de luz a gran escala generan esa luz potente, y los científicos lo utilizan para crear materiales más duraderos, construir baterías y computadoras más eficientes, y aprenda más sobre el mundo natural.

Cuando se trata de construir estas enormes instalaciones, el espacio es dinero. Si puede obtener rayos de luz de mayor energía a partir de dispositivos más pequeños, puede ahorrar millones en costos de construcción. Agregue a eso la oportunidad de mejorar significativamente las capacidades de las fuentes de luz existentes, y tiene la motivación detrás de un proyecto que ha reunido a científicos de tres laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EE. UU.

Este equipo acaba de lograr un hito importante en el que se ha estado trabajando durante más de 15 años:han diseñado, construyó y probó completamente un nuevo prototipo de imán de medio metro de largo que cumple con los requisitos para su uso en instalaciones de fuentes de luz existentes y futuras.

El siguiente paso, según Efim Gluskin, miembro distinguido del Laboratorio Nacional Argonne del DOE, es ampliar este prototipo, construir uno que tenga más de un metro de largo, e instálelo en Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne. Pero si bien estos imanes serán compatibles con fuentes de luz como el APS, la verdadera inversión aquí, él dijo, está en la próxima generación de instalaciones que aún no se han construido.

"La escala real de esta tecnología es para futuras instalaciones de láser de electrones libres, "Dijo Gluskin." Si reduce el tamaño del dispositivo, reduces el tamaño del túnel, y si puede hacerlo, puede ahorrar decenas de millones de dólares. Eso hace una gran diferencia."

Ese objetivo a largo plazo hizo que Gluskin y sus colegas de Argonne colaboraran con científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y del Laboratorio Acelerador Nacional Fermi. ambos laboratorios DOE. Cada laboratorio ha estado buscando tecnología superconductora durante décadas y en los últimos años ha centrado los esfuerzos de investigación y desarrollo en una aleación que combina niobio con estaño.

Este material permanece en un estado superconductor, lo que significa que no ofrece resistencia a la corriente que lo atraviesa, incluso cuando genera altos campos magnéticos. lo que lo hace perfecto para construir lo que se llaman imanes onduladores. Las fuentes de luz como el APS generan haces de fotones (partículas de luz) al desviar la energía emitida por los electrones cuando circulan dentro de un anillo de almacenamiento. Los imanes onduladores son los dispositivos que convierten esa energía en luz, y cuanto mayor sea el campo magnético que puedas generar con ellos, cuantos más fotones pueda crear desde el mismo tamaño de dispositivo.

Hay algunos imanes onduladores superconductores instalados en el APS ahora, pero están hechos de una aleación de niobio y titanio, que durante décadas ha sido el estándar. Según Soren Prestemon, científico senior en Berkeley Lab, Los superconductores de niobio-titanio son buenos para campos magnéticos más bajos; dejan de ser superconductores alrededor de las 10 teslas. (Eso es alrededor de 8, 000 veces más fuerte que el típico imán de nevera).

"El estaño niobio-3 es un material más complicado, "Prestemon dijo, "pero es capaz de transportar corriente a un campo más alto. Es superconductor hasta 23 tesla, y en campos más bajos puede transportar tres veces la corriente que el niobio-titanio. Estos imanes se mantienen fríos a 4.2 Kelvin, que es aproximadamente menos 450 grados Fahrenheit, para mantenerlos superconductores ".

Prestemon ha estado a la vanguardia del programa de investigación de estaño niobio-3 de Berkeley, que comenzó en la década de 1980. El nuevo diseño, desarrollado en Argonne, construido sobre el trabajo anterior de Prestemon y sus colegas.

"Este es el primer ondulador de estaño con niobio-3 que ha cumplido con las especificaciones actuales de diseño y ha sido completamente probado en términos de calidad de campo magnético para el transporte de haces, " él dijo.

Fermilab comenzó a trabajar con este material en la década de 1990, según Sasha Zlobin, que inició y dirigió el programa de imanes de estaño con niobio-3 allí. El programa de estaño niobio-3 de Fermilab se ha centrado en imanes superconductores para aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Suiza y el próximo acelerador lineal PIP-II, que se construirá en el sitio de Fermilab.

"Hemos demostrado el éxito con nuestros imanes de estaño de niobio-3 de alto campo, ", Dijo Zlobin." Podemos aplicar ese conocimiento a los onduladores superconductores basados ​​en este superconductor ".

Parte del proceso, según el equipo, ha estado aprendiendo cómo evitar apagones prematuros en los imanes a medida que se acercan al nivel deseado de campo magnético. Cuando los imanes pierden su capacidad para conducir corriente sin resistencia, la reacción resultante se llama enfriamiento, y elimina el campo magnético y puede dañar el propio imán.

El equipo informó en las Actas de la Conferencia de Superconductividad Aplicada 2020 que su nuevo dispositivo admite casi el doble de la cantidad de corriente con un campo magnético más alto que los onduladores superconductores de niobio-titanio que se encuentran actualmente en el APS.

El proyecto se basó en la experiencia de Argonne en la construcción y operación de onduladores superconductores y en el conocimiento de Berkeley y Fermilab sobre el niobio-3 estaño. Fermilab ayudó a guiar el proceso, asesorando en la selección de cables superconductores y compartiendo desarrollos recientes en su tecnología. Berkeley diseñó un sistema de última generación que utiliza técnicas informáticas avanzadas para detectar apagones y proteger el imán.

En Argonne, se diseñó el prototipo, fabricado ensamblado y probado por un grupo de ingenieros y técnicos bajo la dirección del Gerente de Proyecto Ibrahim Kesgin, con aportes en el diseño, construcción y pruebas por miembros del equipo ondulador superconductor APS dirigido por Yury Ivanyushenkov.

El equipo de investigación planea instalar su prototipo de tamaño completo, que debería estar terminado el próximo año, en el Sector 1 de la APS, que hace uso de haces de fotones de mayor energía para mirar a través de muestras de material más gruesas. Este será un campo de pruebas para el dispositivo, mostrando que puede funcionar según las especificaciones de diseño en una fuente de luz de trabajo. Pero el ojo Gluskin dice:está en la transferencia de ambas tecnologías, niobio titanio y niobio-3 estaño, a socios industriales y fabricar estos dispositivos para futuras instalaciones de fuentes de luz de alta energía.

"La clave ha sido el trabajo constante y persistente, apoyado por los laboratorios y los fondos de investigación y desarrollo del DOE, ", Dijo Gluskin." Ha sido un progreso incremental, paso a paso, para llegar a este punto ".