Un'area nota per i gadget high-tech e l'innovazione presto ospiterà un avanzato laser a raggi X superconduttore che si estende per 3 miglia di lunghezza, realizzato da una collaborazione di laboratori nazionali. Il 19 gennaio, la prima sezione del nuovo acceleratore della macchina è arrivata su un camion allo SLAC National Accelerator Laboratory di Menlo Park dopo un viaggio attraverso il paese iniziato a Batavia, Illinois, al Fermi National Accelerator Laboratory.

Queste sezioni lunghe 40 piedi, chiamati criomoduli, sono gli elementi costitutivi di un importante aggiornamento chiamato LCLS-II che amplificherà le prestazioni del laser a elettroni liberi a raggi X del laboratorio, la sorgente luminosa coerente Linac (LCLS).

"Ci sono voluti anni di sforzi da parte di grandi team di ingegneri e scienziati negli Stati Uniti e in tutto il mondo per rendere realtà l'arrivo del primo criomodulo allo SLAC, "dice John Galayda, Direttore del progetto SLAC per LCLS-II. "E segna un importante passo avanti nella costruzione di questa macchina innovativa".

All'interno dei criomoduli, stringhe di cavità di niobio superfredde saranno riempite di campi elettrici che accelerano gli elettroni quasi alla velocità della luce. Questa tecnologia superconduttiva consentirà a LCLS-II di sparare raggi X che sono, in media, 10, 000 volte più luminoso di LCLS in impulsi che arrivano fino a un milione di volte al secondo.

Con queste nuove funzionalità, gli scienziati hanno obiettivi di ricerca ambiziosi:esaminare i dettagli di materiali complessi con una risoluzione senza pari, rivelano eventi chimici rari e transitori, studiare come le molecole biologiche svolgono le funzioni della vita, e scrutare nello strano mondo della meccanica quantistica misurando direttamente i movimenti interni dei singoli atomi e molecole.

Il Fermi National Accelerator Laboratory sta costruendo metà dei criomoduli per l'aggiornamento del laser LCLS-II, e Thomas Jefferson National Accelerator Facility a Newport News, Virginia, costruirà l'altra metà. Fermilab, Jefferson Lab e SLAC sono i laboratori dell'Office of Science del Department of Energy (DOE).

Dopo aver costruito i criomoduli, Fermilab e Jefferson Lab stanno testando ciascuno ampiamente prima che le navi vengano imballate e spedite su camion. La loro nuova casa in California sarà il tunnel precedentemente occupato da una sezione dell'acceleratore SLAC lungo 2 miglia, situato a 30 piedi sotto terra. In omaggio alla loro destinazione nella Bay Area, i criomoduli sono dipinti "arancione internazionale" per abbinarsi al Golden Gate Bridge.

Un sistema di refrigerazione super cool

Gli ingegneri SLAC e i loro partner stanno costruendo un frigorifero crioimpianto, un potente impianto di refrigerazione che conterrà i compressori, pompe ed elio necessari per mantenere l'acceleratore a 2 gradi Celsius sopra lo zero assoluto (o meno 456 gradi Fahrenheit), circa la stessa temperatura dello spazio esterno.

A queste basse temperature, l'acceleratore diventa ciò che è noto come superconduttore, in grado di aumentare gli elettroni ad alte energie con una minima perdita di energia mentre viaggiano attraverso le cavità. Quando gli elettroni passano attraverso tutti i 37 criomoduli, viaggeranno quasi alla velocità della luce.

Una volta che gli elettroni raggiungono velocità così elevate, passano attraverso una serie di potenti magneti, chiamati ondulatori, che fanno rimbalzare il raggio di elettroni avanti e indietro per generare un raggio laser a raggi X molto più luminoso dell'attuale LCLS, passando da 120 impulsi al secondo a 1 milione di impulsi al secondo, ben oltre qualsiasi altra struttura al mondo.

Come funziona un acceleratore superconduttore

I segmenti del nuovo acceleratore dello SLAC si basano su quella che viene chiamata tecnologia a radiofrequenza superconduttiva. L'energia a microonde generata fuori terra viene alimentata attraverso tubi chiamati guide d'onda nei criomoduli sotterranei. Là, le microonde alimentano un campo elettrico oscillante che risuona all'interno delle cavità di niobio e alla fine si rafforza fino a un voltaggio molto elevato.

Quando la tensione oscillante in ciascuna cavità è sincronizzata al ritmo dei fasci di elettroni che passano attraverso le cavità, gli elettroni ricevono una sferzata di energia e accelerano.

"Se un diapason, un altro tipo di risonatore, avesse la stessa qualità prestazionale di una di queste cavità superconduttrici, suonerebbe per più di un anno, "dice Marc Ross, un fisico dell'acceleratore SLAC che sta guidando lo sviluppo dei criomoduli. "La superconduttività consente alle cavità di accelerare gli elettroni in modo costante, onda continua senza interruzioni, e con un'efficienza estremamente elevata."

L'elemento niobio è un materiale comune per i superconduttori, e le cavità sono realizzate con una versione estremamente pura per ridurre al minimo le perdite elettriche. Otto cavità di niobio sono imbullonate insieme in una stringa all'interno di ciascun criomodulo. Sono assemblati come "una nave in una bottiglia, " dice Ross. Le cavità sono circondate da tre strati annidati di apparecchiature di raffreddamento, con ogni successivo strato abbassando la temperatura fino a raggiungere quasi lo zero assoluto.

La prossima generazione di laser a raggi X

Il sistema che mantiene fredde le cavità è stato utilizzato per raffreddare i magneti che guidano le particelle nei collisori, tra cui il Large Hadron Collider dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) e il Tevatron del Fermilab.

I criomoduli con cavità a radiofrequenza superconduttiva accelerano gli elettroni che generano raggi X al laser a elettroni liberi a raggi X europeo recentemente commissionato. Gli ingegneri di Fermilab e Jefferson Lab hanno ottimizzato il design di quei criomoduli per adattare l'attrezzatura per LCLS-II. Hanno anche notevolmente migliorato la qualità delle cavità attraverso una tecnica chiamata drogaggio con azoto, che produce cavità che generano meno calore alle temperature più fredde. Queste modifiche riducono la perdita di energia e rendono possibile un laser molto più luminoso. LCLS-II sarà la prima implementazione su larga scala di questi ultimi progressi tecnici.

Per LCLS-II, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, con contributi progettuali significativi da Argonne National Laboratory, ha anche creato un nuovo "cannone elettronico" avanzato per iniettare elettroni nell'acceleratore e ondulatori specializzati per generare i raggi X.

Nuove possibilità scientifiche

Con impulsi più frequenti, il laser aggiornato consentirà agli scienziati di raccogliere più dati in meno tempo. Ciò aumenta il numero di esperimenti che possono essere eseguiti e consente nuovi tipi di studi prima inconcepibili.

"Nel giro di poche ore, LCLS-II sarà in grado di produrre più impulsi a raggi X di quanti l'attuale laser abbia fornito in tutte le sue operazioni fino ad oggi, "dice Mike Dunne, direttore di LCLS. "I dati che attualmente richiederebbero un mese per essere raccolti potrebbero essere prodotti in pochi minuti".

Impulsi più frequenti aumentano anche le possibilità che gli scienziati possano, Per esempio, osservare eventi rari che accadono durante reazioni chimiche o in delicate molecole biologiche nei loro ambienti naturali. L'acceleratore superconduttore in costruzione funzionerà in parallelo con quello originale. I due raggi laser apriranno tipi completamente nuovi di studi sul mondo quantistico, informare lo sviluppo di materiali con caratteristiche nuove.

I restanti 36 criomoduli dovrebbero arrivare allo SLAC nei prossimi 18 mesi. La costruzione di LCLS-II è iniziata lo scorso anno. La struttura per gli utenti del DOE si aprirà ai ricercatori di tutto il mondo con le migliori idee per gli esperimenti nei primi anni 2020.

Ulteriori informazioni sulle opportunità scientifiche con LCLS-II.

Allora e adesso

SLAC ha una storia di assunzione di grandi progetti sin dalla nascita del laboratorio più di cinque decenni fa. "Progetto M" (per "Mostro"), la costruzione di un acceleratore di particelle che si estende per 2 miglia di lunghezza, ha permesso agli scienziati di studiare i mattoni dell'universo. Questo acceleratore lineare è stato il più lungo mai costruito.

Nel 2009, il laboratorio ha riproposto un terzo dell'acceleratore di rame originale degli anni '60 per alimentare un fascio di elettroni in LCLS, il primo laser del suo genere che produce impulsi rapidi di raggi X "duri" o ad alta energia per esperimenti di imaging innovativi. Un altro terzo di quel linac di rame originale è stato ora eliminato per fare spazio all'arrivo dei nuovi criomoduli superconduttori.