Uno strumento a raggi X unico nel suo genere per la ricerca di frontiera con raggi X ad alta luminosità è ora in funzione presso l'Argonne National Laboratory. Il nuovo dispositivo utilizza un'esclusiva tecnologia superconduttiva che accelera gli elettroni su un percorso molto simile a quello delle montagne russe.

Il dispositivo di inserimento (ID), chiamato un ondulatore superconduttore elicoidale (HSCU), è stato progettato presso l'Advanced Photon Source (APS), un U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility presso l'Argonne National Laboratory del DOE. Il dispositivo presenta tre vantaggi principali rispetto ad altri tipi di ID per la produzione di raggi X ad alta luminosità:(1) genera un campo magnetico più forte rispetto ad altri ID; (2) consente ai ricercatori di selezionare una singola energia dal fascio di raggi X senza utilizzare alcuna ottica a raggi X; e (3) produce un fascio di raggi X con polarizzazione circolare. Argonne ha sviluppato l'ondulatore elicoidale con $ 2 milioni di finanziamenti dal DOE Office of Science.

Presi insieme, questi vantaggi sono entusiasmanti per i ricercatori perché il dispositivo consente loro di raccogliere dati più velocemente e in modo più pulito rispetto ad altri dispositivi, poiché l'HSCU non richiede ottiche extra per eseguire esperimenti.

Un tipico ID è un insieme di potenti strutture magnetiche periodiche che creano alta luminosità, emissione di radiazione di sincrotrone diretta in avanti costringendo un fascio di particelle cariche immagazzinate (elettroni nell'APS) a eseguire oscillazioni o ondulazioni mentre passano attraverso il dispositivo. L'HSCU è l'ultimo di una serie ventennale di ID innovativi progettati e forniti da scienziati e ingegneri di Argonne per l'APS e altre strutture a raggi X di sincrotrone del DOE.

Un ondulatore superconduttore elicoidale è un dispositivo molto impegnativo da integrare in un anello di immagazzinamento di elettroni operativo, come quello dell'APS, perché introduce forti limitazioni alla gestione del fascio di elettroni nell'anello di accumulo. Potrebbe causare interruzioni nelle operazioni di anello e, quindi, nella consegna dei raggi X ai ricercatori in attesa. L'ingegnoso design meccanico e magnetico della geometria della bobina HSCU sviluppato da ingegneri e fisici APS non interrompe il funzionamento costante dell'anello di archiviazione APS. I ricercatori sanno che l'HSCU è lì solo grazie ai raggi X che fornisce.

Efim Gluskin, un Argonne Distinguished Fellow ed ex direttore della divisione APS che ha guidato il programma ondulatore presso l'APS sin dal suo inizio, paragonò il movimento del gruppo di elettroni nell'HSCU al movimento ad anello di un ottovolante a spirale come il giro dell'X Flight al parco divertimenti Six Flags Great America vicino a Chicago. Mentre gli elettroni si avvitano attraverso il campo magnetico del dispositivo, generano la radiazione polarizzata circolarmente.

Ma per forzare i moti a spirale degli elettroni, doveva essere costruito un magnete speciale con un forte campo magnetico a spirale. Questo obiettivo è stato raggiunto avvolgendo fili superconduttori attorno a una sezione di ferro a forma di cavatappi. Il risultato finale è un elettromagnete superconduttore lungo 1,1 metri con molti poli magnetici alternati nord-sud a forma di spirale; questi poli magnetici, quando l'HSCU è sotto tensione, sono ciò che invia gli elettroni sul loro percorso a spirale.

L'HSCU fornisce ai ricercatori un raggio di raggi X più intenso che consente un'acquisizione dei dati più rapida rispetto agli ondulatori convenzionali, in tempi di un miliardesimo di secondo. E come gli ondulatori convenzionali, il nuovo tipo di ondulatore può consentire la ricerca su una serie di fenomeni complessi, comprese le dinamiche in evoluzione del flusso di fluidi complessi e il magnetismo dei metalli.

Quando si azionano ondulatori convenzionali, gli scienziati devono utilizzare un dispositivo aggiuntivo dotato di componenti ottici a raggi X chiamati monocromatori per selezionare la loro energia preferita del raggio di raggi X. Ma l'HSCU fornisce immediatamente un raggio di raggi X monocromatico direttamente dall'ondulatore al campione in esame senza l'aiuto di un monocromatore. Questo non solo fornisce un raggio più intenso, ma anche un fascio più coerente (o perfetto) poiché qualsiasi ottica presenterà piccole imperfezioni che possono introdurre distorsioni indesiderate nel fascio di raggi X. E in cima a questo, la capacità di produrre radiazione polarizzata circolarmente è importante, poiché la luce circolare è sensibile alle proprietà di un materiale come il magnetismo e la chiralità molecolare – o manualità – che la luce lineare o non polarizzata non può vedere.

Il nuovo ondulatore ha iniziato a funzionare alla linea di luce a raggi X del settore 7-ID dell'APS il 19 gennaio, 2018. Questa linea di luce, che è gestito dalla Divisione di scienze a raggi X di Argonne, è dedicato alle misurazioni dei materiali risolte nel tempo ultrarapide. Gli scienziati stanno progettando di utilizzare il nuovo dispositivo per studiare la dinamica dell'iniezione di carburante; una migliore comprensione di tale processo potrebbe portare a veicoli a motore più efficienti dal punto di vista del consumo di carburante.

"Possono portare questo raggio direttamente dall'ondulatore e fare un esperimento di imaging standard, come se facessi una radiografia in uno studio medico o in uno studio dentistico. Ma puoi farlo molto velocemente qui, "a intervalli di un miliardesimo di secondo, ha detto Jonathan Lang, direttore della Divisione di Scienze dei Raggi X presso l'APS.

Un'altra tecnica che trarrà vantaggio dal nuovo ondulatore è la spettroscopia di correlazione di fotoni a raggi X. Questa tecnica è l'equivalente a raggi X di puntare un puntatore laser contro un muro; il punto che genera sembra luccicare, il risultato di variazioni di intensità. "Questo è causato dalla ruvidità del muro, " ha detto Lang.

Se quella ruvidezza dovesse cambiare milioni di volte al secondo, gli scienziati sarebbero in grado di rilevare il corrispondente cambiamento nel modello di interferenza del muro utilizzando la spettroscopia di correlazione dei fotoni a raggi X. La singola lunghezza d'onda fornita dal nuovo ondulatore consentirà agli sperimentatori di osservare come i materiali si evolvono in tempi ancora più rapidi di quanto fosse possibile prima. "Guardando i raggi X e come si disperdono e brillano, possiamo dire come le molecole si muovono nel materiale e su quali tempi si muovono, " ha detto Lang.

Il nuovo ondulatore eseguirà anche l'imaging a contrasto di fase per evidenziare alcuni aspetti dei fenomeni oggetto di studio, come il gasolio che è composto da vari elementi leggeri chiamati idrocarburi. L'imaging a contrasto di fase può migliorare il contrasto tra gli idrocarburi e l'aria durante gli esperimenti, consentire ai ricercatori di vedere strutture che non è possibile osservare utilizzando l'imaging a raggi X convenzionale, che mostra solo variazioni di densità. Per esempio, I raggi X presi in uno studio medico mostrano l'osso in modo più chiaro rispetto al tessuto molle molto più leggero.

Gluskin prevede che i nuovi ondulatori superconduttori diventeranno uno strumento comune per le future sorgenti luminose e i laser a elettroni liberi perché superano le prestazioni degli ondulatori a magneti permanenti esistenti nella fornitura di fasci di raggi X luminosi per un'ampia gamma di energia. E l'HSCU in particolare apre le porte alla prossima generazione di laser a elettroni liberi più compatti ed economici.

Anche la tecnologia dell'ondulatore superconduttore è essenziale per l'aggiornamento APS. L'aggiornamento fornirà ai ricercatori una struttura di nuova generazione per sondare in modo più preciso la struttura e la funzione atomica e molecolare, estendere la leadership globale degli Stati Uniti nella ricerca scientifica e tecnologica a raggi X duri (lunghezza d'onda corta) per i decenni a venire.

"L'ondulatore elicoidale superconduttore ci permetterà di provare alcune tecniche che vogliamo fare nell'aggiornamento, " ha detto Lang.