I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno collaborato per progettare, costruire e testare due dispositivi che utilizzano diversi materiali superconduttori e potrebbero rendere i laser a raggi X più potenti, versatile, compatto e resistente.

Questi dispositivi prototipo, chiamati ondulatori superconduttori (SCU), ha prodotto con successo campi magnetici più forti rispetto agli ondulatori magnetici permanenti convenzionali delle stesse dimensioni. Questi campi, a sua volta, può produrre luce laser ad energia più elevata per aprire una gamma più ampia di esperimenti.

Diversi laser a raggi X su larga scala sono in lavorazione in tutto il mondo per consentire agli scienziati di sondare le proprietà della materia su scale sempre più piccole e veloci, e gli ondulatori superconduttori sono considerati tra le tecnologie più abilitanti per la prossima generazione di questi e altri tipi di sorgenti luminose.

Tali sorgenti luminose sono potenti strumenti per studiare la struttura microscopica e altre proprietà dei campioni, come le proteine ​​che sono fondamentali per la progettazione di farmaci, materiali esotici rilevanti per l'elettronica e le applicazioni energetiche, e la chimica che è fondamentale per i processi industriali come la produzione di carburante.

Il recente sforzo di sviluppo è stato motivato dall'aggiornamento da parte dello SLAC National Accelerator Laboratory della sua Linac Coherent Light Source (LCLS), che è l'unico laser a elettroni liberi a raggi X (FEL) della nazione. Il nuovo progetto, ora in corso, è noto come LCLS-II.

I FEL a raggi X ora utilizzano ondulatori magnetici permanenti per produrre luce a raggi X agitando grappoli di elettroni ad alta energia in campi magnetici alternati prodotti da una sequenza di magneti permanenti.

Ma per la prima volta, Gli scienziati di Argonne hanno dimostrato che un ondulatore superconduttore potrebbe essere utilizzato come amplificatore laser a elettroni liberi per i FEL a raggi X contemporanei.

Il team dell'Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia ad Argonne ha costruito e testato con successo un prototipo di magnete SCU lungo 1,5 metri progettato per soddisfare i requisiti dell'ondulatore FEL. Questa SCU utilizza un filo superconduttore al niobio-titanio per avvolgere le sue bobine magnetiche.

Questo risultato significativo potrebbe aprire la strada all'espansione della gamma di energia dei raggi X alle sorgenti luminose esistenti senza aumentare l'energia del fascio di elettroni. Questo è un punto importante perché il costo di costruzione degli impianti di illuminazione è principalmente definito dall'energia del fascio di elettroni, disse Efim Gluskin, un Argonne Distinguished Fellow e un fisico e leader del gruppo ad interim del Magnetic Devices Group nella divisione Accelerator Systems dell'APS.

Gluskin ha affermato che la SCU a base di niobio-titanio è stata progettata per soddisfare tutti i requisiti tecnici impegnativi applicati all'ondulatore FEL a raggi X, compresa la qualità del campo ad alta precisione e la coerenza lungo tutto il magnete. Infatti, è stato sperimentalmente dimostrato che questo dispositivo ha soddisfatto tutti questi requisiti. Il team di APS SCU ha utilizzato sistemi criogenici sviluppati internamente e tecniche di misurazione magnetica per convalidare le prestazioni della SCU.

"La sfida principale è mantenere il movimento costante degli elettroni all'interno di una SCU, " disse Gluskin, aggiungendo che l'intervallo di deviazione accettata dalla linea retta del movimento del raggio attraverso la distanza di diversi metri è di pochi micron. Per confronto, un capello umano medio è largo 100 micron.

"Ciò porta a requisiti molto severi sulla qualità del campo magnetico generato dai magneti SCU, " Disse Gluskin.

Paul Emma di SLAC, il responsabile della fisica dell'acceleratore per il progetto di aggiornamento LCLS-II ha coordinato lo sforzo di sviluppo dell'ondulatore superconduttore.

"Con gli ondulatori superconduttori, "Emma ha detto "non necessariamente abbassi il costo ma ottieni prestazioni migliori per lo stesso tratto di ondulatore."

Un ondulatore superconduttore equivalente in lunghezza a un ondulatore magnetico permanente potrebbe produrre luce almeno due o tre volte e forse fino a 10 volte più potente, e potrebbe anche accedere a una gamma più ampia di lunghezze d'onda dei raggi X, ha detto Emma. Questo produce un FEL più efficiente.

Gli ondulatori superconduttori non hanno parti mobili macroscopiche, in modo che possano essere sintonizzati più rapidamente con alta precisione. I superconduttori sono anche molto meno soggetti a danni da radiazioni ad alta intensità rispetto ai materiali a magneti permanenti, un problema significativo negli acceleratori ad alta potenza come quelli che verranno installati per LCLS-II.

Sembra esserci un chiaro percorso verso lo sviluppo di ondulatori superconduttori per gli aggiornamenti dei laser a elettroni liberi a raggi X esistenti e nuovi, Emma ha detto, e per altri tipi di sorgenti luminose.

"Gli ondulatori superconduttori saranno la tecnologia a cui andremo alla fine, che sia nei prossimi 10 o 20 anni, " ha detto. "Sono abbastanza potenti da produrre la luce di cui avremo bisogno - penso che accadrà. La gente sa che è un passo abbastanza grande, e dobbiamo arrivarci".

In questo caso, il team APS ha sviluppato la tecnologia di costruzione della SCU per fornire un dispositivo pronto all'uso fin dal banco di assemblaggio.

"Il team SCU ha trovato soluzioni uniche per rendere le prestazioni di questo ondulatore all'interno delle specifiche rigorose del sistema ondulatore LCLS, " ha detto Yury Ivanyushenkov, un fisico della Argonne Accelerator Systems Division. "Negli anni, il team della SCU ha messo insieme una solida serie di passaggi e processi tecnologici per progettare e costruire ondulatori superconduttori all'avanguardia che operano con successo presso l'APS. Il successo di questo progetto è il risultato diretto dei sistemi e delle strutture in atto presso l'APS."

Geoffrey Pila, Direttore della divisione associata della divisione di supporto tecnico APS ad Argonne ed ex direttore del progetto dell'ondulatore APS LCLS-I, ha affermato che l'APS ha una lunga storia ed esperienza nella progettazione e costruzione di ondulatori per l'APS e altri laboratori nazionali.

Uno dei progetti Argonne era la progettazione e la costruzione del sistema ondulatore LCLS-I:440 piedi di sofisticati componenti tecnici che incorporavano 33 ondulatori all'avanguardia. La struttura LCLS-I presso lo SLAC National Accelerator Laboratory opera con successo da più di sette anni.

Inoltre, Gli scienziati e gli ingegneri di APS hanno recentemente progettato e costruito un nuovo rivoluzionario prototipo di ondulatore a polarizzazione verticale a distanza orizzontale per il progetto LCLS-II. È stato adottato e incorporato nel progetto finale LCLS-II, e 32 unità di produzione saranno costruite per SLAC dal Lawrence Berkeley National Laboratory e dai partner industriali.

"Negli ultimi due decenni, il team di ingegneri APS ha costruito ondulatori da utilizzare ad Argonne e in tutto il paese, e la SCU potrebbe essere il progetto più impegnativo finora, " Ha detto Pile. "Ha spostato la tecnologia in avanti a passi da gigante e mette in evidenza l'esperienza in tutta l'APS. È importante sottolineare che molti partner industriali, gente ad Argonne, e i nostri collaboratori di SLAC e Berkeley hanno contribuito al successo di questo progetto e meritano credito."

Gluskin ha concordato:"Lo sviluppo di questo prototipo è il culmine di oltre un decennio di impegni di Argonne verso una tecnologia SCU nuova e innovativa che andrà a beneficio di tutte le sorgenti luminose DOE".