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SLAC升级后的x射线激光设备产生了第一束光

就在十多年前的2009年4月,世界上第一台硬x射线自由电子激光器(XFEL)在美国能源部SLAC国家加速器实验室产生了第一束光。直线加速器相干光源(LCLS)产生的x射线脉冲比以往任何光源都要亮十亿倍。从那时起,其性能使得基本在许多科学领域的新见解,从创造“分子电影”化学的研究蛋白质的结构和运动的新一代又一代的制药和复制的过程中创建“钻石雨”巨行星在太阳系。

该领域的下一个重要步骤是在2013年启动了lcl - ii升级项目,将x射线激光的功率提高数千倍,每秒产生100万个脉冲,而现在是120个脉冲。这次升级计划将在两年内完成,美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)是做出重大贡献的合作者之一。

今天,升级的第一阶段开始运行,第一次使用新安装的设备的一个关键部件产生x射线。

lcl - ii项目代表了美国五个国家实验室的共同努力斯坦福研究中心主任高志昌(Chi-Chang Kao)说。“今天的成功反映了持续的伙伴关系和协作的巨大价值,使我们能够建立独特的世界领先的工具和能力。”

XFELs的工作过程分为两步。首先,他们将强大的电子束加速到接近光速。然后,他们将这束射线通过一个被称为波动器的装置内的一系列经过精密调谐的磁铁,该装置将电子能量转换成强烈的x射线爆发。这些爆发只有百万分之一秒的长度——如此短,以至于它们可以捕捉到化学键的诞生,并产生具有原子分辨率的图像。

lcl - ii项目将改造该设施的这两个部分——通过安装一个全新的加速器,该加速器使用低温超导技术,在自由电子激光器中实现前所未有的重复率,以及可以精确控制x射线光束的波动器。

除了监督所有“硬”或高能x射线波动器的建造和交付,伯克利实验室还为lcl - ii项目做出了其他贡献。

伯克利实验室已经设计并监督了低能量“软”x射线束线的波动器的建造和交付;设计、制造、交付提供电子束的高亮度注入源;并协同领导低水平射频(LLRF)控制系统的硬件和软件开发,该系统有助于控制作为软x射线线一部分的超导加速器。伯克利实验室预计将在lcl - ii高能升级项目中发挥作用,这将使硬x射线加速器的电子能量翻倍。

强大的和精确的

在过去的18个月里,原来的LCLS波动器被移除,取而代之的是两个新系统,提供了惊人的新能力。每一条波浪线包含数千个永磁体,延伸超过100米;它们共同产生的磁场比地球磁场强数万倍。这能产生相当于几吨重的力,同时保持磁铁结构的刚性,使其保持在人类头发丝宽度的百分之一以内。

新的硬x射线波动器的原型是由能源部的阿贡国家实验室,阿贡实验室和伯克利实验室设计,伯克利实验室建造,并在过去一年安装在SLAC。软x射线和硬x射线可以探测不同的样品类型和性质。由超导加速器驱动的lcl - ii软x射线波动器还没有经过测试。

今天,硬x射线系统展示了它的性能,为未来的实验战役做好了准备。SLAC加速器控制室的科学家们将来自现有LCLS加速器的电子束通过波动器中的磁铁阵列。

在短短几个小时的过程中,他们产生了x射线的第一个信号,然后精确地调整配置,以实现全x射线激光性能与现有的波动部分。大部分的硬x射线波动器部分已经安装,其余部分计划在下个月交付和安装。

“到达第一束光是我们一直期待的里程碑,”伯克利实验室工程部主任Henrik von der Lippe说。“这一里程碑表明,所有的艰苦工作和合作已经产生了一个科学设施,将促进新的科学。”

他补充说:“伯克利实验室在硬x射线波浪器设计和制造方面的贡献,利用了我们为科学设施提供波浪器的经验,以及我们在机械设计方面的长期实力。多年来,工程部团队一直致力于开发满足所有期望的设备,看到这些成果是值得的。”

伯克利实验室加速器技术和应用物理部门的临时主任托马斯·申克尔(Thomas Schenkel)说:“这是一个很好的例子,说明我们的科学基础和工程专长是如何结合在一起的。”他补充说,“实验室有几十年的经验,设计和建造一些最先进的波动器的时代,我们期待继续以这种方式为美国能源部的研究作出贡献。”

新的波动器的科学影响将是重大的。一个主要的进步是磁体之间的分离可以根据需要改变,允许发射的x射线的波长被调整以适应实验的需要。研究人员可以利用这一技术来确定分子中选定的原子的行为,这将增强我们跟踪能量流动和存储的能力,为先进的太阳能应用提供帮助。

今天演示的波动器将能够使LCLS的峰值x射线能量翻倍。这将为材料在原子水平上对极端应力的反应以及新量子现象的出现提供更精确的见解。

“面条”:一个独特的,具有挑战性的波动器设计

完成的硬x射线波动器将有32段。每一段重2.3吨,长约13英尺。硬x射线波动器部分的设计是独特的,因为它本质上旋转了传统的波动器设计90度,这也带来了独特的工程挑战。

为了适应SLAC的波动器隧道,波动器的部分必须比通常的要薄得多——伯克利实验室的工程师称这种设计为“面条”。这种设计也使得在每个波动器部分包含许多磁铁的钢支撑,或强背更容易受到不必要的弯曲,因为它们必须承受大约4吨的磁力。

独特的,旋转设计的波动器要求阵列约150弹簧每个波动节,可以精确调整,以保持数百磁铁在对齐。

但即使是微小的温度变化和简单的机械加工,如在新部件上螺栓,也会改变坚固的支撑结构,超出了允许的范围——设备必须保持在一米的百万分之一以内。

伯克利实验室lcl - ii波动器的首席工程师马泰厄斯·莱特纳(Matthaeus Leitner)说,因此,早期的分段设计必须彻底重新考虑。

莱特纳说:“很长一段时间我们都没有一个解决方案。”“我们基本上必须改变设备的每个单独组件。这是高技能工程师和技术人员的团队努力。”

约翰·科利特曾担任伯克利实验室lcl - ii项目的高级团队领导,现在是实验室项目管理官员,他说:“这是一个非常具有挑战性的机械工程问题。这是SLAC、Berkeley和Argonne实验室共同努力的结果。我们举办了许多研讨会,我们一起合作解决问题。在项目所需的很短时间内,我们成功地做到了这一点,真是太棒了。”

莱特纳补充说,“伯克利实验室的一大优势是工程资源的阵列。如果出现问题,我们可以立即投入大量资源来解决问题。我们可以在几个月内解决这个看似不可逾越的问题。这是难以置信的。这之所以成为可能,是因为我们拥有大型模具、精密测量设备和优秀的工程支持设备。”

伯克利实验室的工程师也付出了巨大的努力,与制造和组装波动器的三个供应商一起工作并进行培训。伯克利实验室利用它的磁性设计和测量能力,并开发了精确的方法来组装和有效地调整波动器。

莱特纳指出,硬x射线波动器独特的旋转设计将最终提高x射线激光的性能,在实验中为样品提供更多的x射线。“它大大提高了硬x射线的可用输出功率,”他说。

莱特纳和科利特说,这种被称为垂直极化的设计,很可能会被其他x射线自由电子激光器和光源采用,因为这种能力的设计挑战已经解决。

“这是前所未有的,”科利特说。

下一个步骤

在波动器之外是前端的外壳,它包含一系列光学、诊断和调谐设备,为特定的实验准备x射线。其中包括世界上最平、最光滑的镜子,它们有一米长,但在高度上只相差一个原子的宽度。在接下来的几个星期里,这些光学器件将接受测试,为今后六个月里来自世界各地的研究人员将进行的80多项实验做准备。

LCLS主任迈克?邓恩(Mike Dunne)表示:“今天标志着lcl - ii x射线科学时代的开始。”“我们当前的任务将是使用这种新的波动器来调查SARS-CoV-2病毒的内部工作机制。在接下来的几年里,我们的设施将会有一个惊人的转变。接下来是软x射线波浪器,它被优化用于研究能量如何在原子和分子之间流动,从而研究新能源技术的内部运作。除此之外,新的超导加速器将把我们的x射线功率提高数千倍。”

他还说,“就像我们喜欢说的,在x射线激光的世界里,未来是光明的。”

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