L'hub centrale per potenti fasci di elettroni presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia sta subendo un restyling per preparare l'installazione di LCLS-II - un importante aggiornamento per la Linac Coherent Light Source (LCLS), il primo laser a elettroni liberi a raggi X duri al mondo. LCLS-II fornirà i raggi X più potenti mai realizzati in un laboratorio, con travi che sono 10, 000 volte più luminoso di prima, aprendo opportunità di ricerca senza precedenti in chimica, scienza dei materiali, biologia e ricerca energetica.

Il mozzo, chiamato Beam Switch Yard (BSY), è una sezione lunga 600 piedi situata all'estremità orientale dello storico acceleratore lineare lungo 2 miglia (linac) del laboratorio, dove gli elettroni ad alta energia dall'acceleratore vengono reindirizzati alle stazioni sperimentali. Questi "treni elettronici" ricordano le diverse linee di un sistema metropolitano che collega varie località di una città.

"Il nuovo design BSY apre la strada a LCLS-II e consente la più ampia suite di opzioni per il futuro laser a raggi X, " dice Scott DeBarger di SLAC, responsabile del progetto di riconfigurazione BSY.

LCLS di oggi, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, utilizza una singola linea di elettroni che parte da un iniettore di elettroni all'inizio dell'ultimo terzo dell'acceleratore di rame originale del linac e termina appena oltre l'ondulatore LCLS, una serie di magneti che converte l'energia degli elettroni in raggi X ultraluminosi.

Ma la futura struttura avrà bisogno di più connessioni. Oltre al linac di rame, LCLS-II avrà un acceleratore superconduttore che aumenterà la velocità di fuoco del laser a raggi X fino a un milione di impulsi al secondo. L'attuale ondulatore sarà anche sostituito con due ondulatori all'avanguardia per la generazione di raggi X a bassa (soft) e ad alta energia (hard). La riconfigurazione BSY assicura che entrambi i fasci di elettroni saranno in grado di alimentare l'uno o l'altro ondulatore, che richiede quattro linee principali.

Per dare ai ricercatori di LCLS-II il controllo sulla velocità degli impulsi a raggi X nei loro esperimenti, un'altra linea può guidare i treni di elettroni provenienti dal linac superconduttore in un fascio di scarico prima che raggiungano gli ondulatori.

Una sesta linea porterà alla End Station A per esperimenti che utilizzano direttamente i potentissimi fasci di elettroni.

L'ingegnere meccanico SLAC e manager di sistema Jose Chan e il suo team hanno progettato la linea di luce LCLS-II che attraversa l'area di riconfigurazione BSY, inclusa una camera a vuoto che collega il linac superconduttore LCLS-II alla linea di luce del linac di rame attualmente utilizzato per gli ondulatori a raggi X duri.

Un'operazione di pulizia monumentale

Per cancellare il percorso per LCLS-II, le squadre hanno dovuto prima rimuovere tutti i materiali non necessari dal BSY, un compito monumentale considerando la ricca storia di SLAC nella scienza degli acceleratori e il materiale legacy che ha creato.

"Quando gli esperimenti finiscono, la maggior parte della vecchia attrezzatura viene in genere lasciata al suo posto, " dice Mark Woodley di SLAC, un progettista di ottiche coinvolto nel progetto di riconfigurazione BSY. "Solo le cose che ostacolano i nuovi esperimenti vengono eliminate".

Agli inizi degli anni Sessanta, il linac ha consegnato fasci di elettroni a tre stazioni sperimentali. C'era una linea che andava dritta nel cortile di ricerca del laboratorio. Oggi questa linea continua fino all'ondulatore LCLS. I magneti pulsati nel BSY potrebbero deviare il raggio nelle stazioni terminali A e B tramite due linee di luce che si diramano dalla linea centrale.

Nel 1980, furono aggiunti altri due rami per alimentare elettroni e positroni, i fratelli antiparticella degli elettroni, nei due anelli di stoccaggio dell'acceleratore PEP (PEP-II dal 1999). Nel 1987, erano necessari altri due rami per consegnare i fasci ai due bracci dello Stanford Linear Collider (SLC).

La maggior parte dei vecchi materiali lasciati nel BSY da questi esperimenti sono stati ora ripuliti, un lavoro che ha richiesto 300 dipendenti e quasi 24 subappaltatori, 000 ore di lavoro nel periodo da dicembre 2016 a maggio 2017. Sono state asportate 325 iarde cubi, o circa 24 tonnellate, di materiale – sufficiente per riempire otto container marittimo-terra – e più di 300, 000 piedi di cavi.

"Considerato il compito monumentale che ci attendeva, è davvero impressionante come sia andato bene questo progetto, " Dice DeBarger. "Ha coinvolto molte persone all'interno e all'esterno del laboratorio, e ognuno di loro era assolutamente necessario."

Costruire il futuro della scienza dei raggi X

Dopo aver ripulito il BSY, i membri del progetto di riconfigurazione hanno installato una nuova linea di luce che va dal linac in rame all'attuale ondulatore LCLS. In parallelo, il sistema per estrarre gli elettroni per la linea End Station A è stato messo in atto da un altro team di progetto.

"Abbiamo anche installato il primissimo tubo a fascio LCLS-II all'estremità di uno 'scudo di muoni' costruito con blocchi di acciaio da 5 e 10 tonnellate e scherma la sala di trasporto del fascio a valle del BSY, consentendo l'accesso mentre i raggi sono sintonizzati nel BSY, "dice Dean Hanquist, account manager di controllo nella squadra di Chan.

"Alla fine, dovevamo assicurarci che tutto funzionasse di nuovo correttamente per LCLS, che ora ha ripreso il suo programma sperimentale, ", afferma il fisico della BSY Area Tonee Smith. "Ad esempio, tutti i magneti utilizzati nella linea di luce per focalizzare il fascio di elettroni e apportare piccole correzioni sono stati rinnovati, e abbiamo dovuto rimisurarli e testarli."

Le restanti linee di luce e giunzioni saranno installate durante un anno di inattività LCLS, che inizierà nell'estate del 2018. Una volta completato, il nuovo "sistema metro" BSY sarà pronto per trasportare treni di elettroni al nuovo impianto laser a raggi X, dove alimenteranno la rivoluzionaria scienza a raggi X per gli anni a venire.