Poco più di dieci anni fa, nell'aprile 2009, il primo laser a elettroni liberi a raggi X duri (XFEL) al mondo ha prodotto la sua prima luce presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. La Linac Coherent Light Source (LCLS) ha generato impulsi a raggi X un miliardo di volte più luminosi di qualsiasi cosa fosse mai esistita prima. Da allora, le sue prestazioni hanno consentito nuove intuizioni fondamentali in una serie di campi scientifici, dalla creazione di "film molecolari" della chimica in azione allo studio della struttura e del movimento delle proteine ​​per le nuove generazioni di prodotti farmaceutici e alla replica dei processi che creano la "pioggia di diamanti" all'interno dei pianeti giganti del nostro sistema solare.

Il prossimo passo importante in questo campo è stato avviato nel 2013, lanciare il progetto di aggiornamento LCLS-II per aumentare la potenza del laser a raggi X di migliaia di volte, producendo un milione di impulsi al secondo rispetto ai 120 al secondo di oggi. Questo aggiornamento dovrebbe essere completato entro i prossimi due anni, e il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE fa parte di un gruppo di collaboratori che ha dato importanti contributi.

Oggi, è entrata in funzione la prima fase del potenziamento, producendo per la prima volta un raggio di raggi X utilizzando un elemento critico dell'apparecchiatura appena installata.

"Il progetto LCLS-II rappresenta lo sforzo congiunto di cinque laboratori nazionali di tutti gli Stati Uniti, insieme a molti colleghi della comunità universitaria e del DOE, " disse Chi-Chang Kao, direttore dello SLAC. "Il successo odierno riflette l'enorme valore delle partnership e della collaborazione in corso che ci consentono di creare strumenti e capacità unici a livello mondiale".

Gli XFEL funzionano in un processo in due fasi. Primo, accelerano un potente fascio di elettroni quasi alla velocità della luce. Quindi passano questo raggio attraverso una serie di magneti squisitamente sintonizzati all'interno di un dispositivo noto come ondulatore, che converte l'energia dell'elettrone in intense raffiche di raggi X. Le esplosioni sono lunghe solo un milionesimo di miliardesimo di secondo, così brevi da poter catturare la nascita di un legame chimico e produrre immagini con risoluzione atomica.

Il progetto LCLS-II trasformerà entrambi gli elementi della struttura, installando un acceleratore completamente nuovo che utilizza la tecnologia dei superconduttori criogenici per ottenere un tasso di ripetizione senza precedenti in un laser a elettroni liberi, insieme a ondulatori in grado di fornire un controllo eccellente del fascio di raggi X.

Oltre a supervisionare la costruzione e la consegna di tutti i "duri, " o segmenti di ondulatori a raggi X ad energia superiore che hanno consentito l'ultima pietra miliare, Berkeley Lab sta anche dando molti altri contributi al progetto LCLS-II.

Berkeley Lab ha progettato e supervisionato la costruzione e la consegna degli ondulatori per la linea di luce a raggi X "morbida" a bassa energia; progettato, costruito, e ha consegnato la sorgente di iniettore ad alta luminosità che fornisce il fascio di elettroni; e sta collaborando allo sviluppo di hardware e software per il sistema di controllo a radiofrequenza a basso livello (LLRF) che aiuta a controllare l'acceleratore superconduttore che fa parte della linea di raggi X molli. E Berkeley Lab prevede un ruolo nel progetto di aggiornamento dell'alta energia LCLS-II, che raddoppierà l'energia degli elettroni dell'acceleratore di raggi X duri.

Potente e preciso

Negli ultimi 18 mesi, l'ondulatore LCLS originale è stato rimosso e sostituito con due nuovi sistemi che offrono nuove straordinarie capacità. Ognuna di queste linee di ondulatori contiene migliaia di magneti permanenti e si estende per oltre 100 metri; insieme creano campi magnetici decine di migliaia di volte più forti di quelli della Terra. Questo genera forze equivalenti a poche tonnellate di peso mantenendo la rigidità della struttura che trattiene i magneti entro un centesimo della larghezza di un capello umano.

I nuovi ondulatori a raggi X duri sono stati prototipati dall'Argonne National Laboratory del DOE, progettato dai laboratori Argonne e Berkeley, costruito da Berkeley Lab, e sono stati installati a SLAC nell'ultimo anno. I raggi X morbidi e duri possono sondare diversi tipi e proprietà di campioni. L'ondulatore a raggi X molli LCLS-II, guidato dall'acceleratore superconduttore, non è ancora stato testato.

Oggi, il sistema a raggi X duri ha dimostrato le sue prestazioni in preparazione per le campagne sperimentali future. Gli scienziati nella sala di controllo dell'acceleratore SLAC hanno diretto il fascio di elettroni dall'acceleratore LCLS esistente attraverso la serie di magneti nell'ondulatore.

Nel giro di poche ore, hanno prodotto il primo segno di raggi X, e quindi sintonizzato con precisione la configurazione per ottenere prestazioni laser a raggi X complete con i segmenti ondulatori disponibili. La maggior parte dei segmenti dell'ondulatore a raggi X duri sono stati installati, e i segmenti rimanenti sono previsti per la consegna e l'installazione nel prossimo mese.

"Raggiungere la prima luce è una pietra miliare che tutti noi non vedevamo l'ora, " disse Henrik von der Lippe, Direttore della divisione di ingegneria presso Berkeley Lab. "Questa pietra miliare mostra come tutto il duro lavoro e la collaborazione abbiano portato a una struttura scientifica che consentirà una nuova scienza".

Ha aggiunto, "Il contributo di Berkeley Lab alla progettazione e fabbricazione di ondulatori a raggi X duri ha utilizzato la nostra esperienza nella fornitura di ondulatori alle strutture scientifiche e la nostra forza di lunga data nella progettazione meccanica. È gratificante vedere i frutti di anni di team dedicati della divisione di ingegneria che forniscono dispositivi che soddisfano tutti aspettative".

Thomas Schenk, direttore ad interim della divisione Accelerator Technology and Applied Physics del Berkeley Lab, disse, "Questo è un ottimo esempio di come le nostre basi scientifiche e le nostre competenze ingegneristiche si uniscono". Ha aggiunto, "Il Lab ha decenni di esperienza nella progettazione e costruzione di alcuni degli ondulatori più avanzati dei loro tempi, e non vediamo l'ora di continuare a contribuire in questo modo al complesso di ricerca del DOE".

L'impatto scientifico dei nuovi ondulatori sarà significativo. Un importante progresso è che la separazione tra i magneti può essere modificata su richiesta, consentendo di sintonizzare la lunghezza d'onda dei raggi X emessi per soddisfare le esigenze degli esperimenti. I ricercatori possono usarlo per individuare il comportamento di atomi selezionati in una molecola, che tra l'altro migliorerà la nostra capacità di tracciare il flusso e lo stoccaggio di energia per applicazioni avanzate di energia solare.

L'ondulatore dimostrato oggi sarà in grado di raddoppiare l'energia di picco dei raggi X della LCLS. Ciò fornirà approfondimenti molto più precisi su come i materiali rispondono a sollecitazioni estreme a livello atomico e sull'emergere di nuovi fenomeni quantistici.

La "spaghettata":un piatto unico, impegnativo design dell'ondulatore

L'ondulatore a raggi X duri completato avrà 32 segmenti. Ogni segmento pesa 2,3 tonnellate ed è lungo circa 13 piedi. Il design dei segmenti dell'ondulatore a raggi X duri è unico perché ruota essenzialmente di 90 gradi il tradizionale design dell'ondulatore, che poneva anche sfide ingegneristiche uniche.

Per adattarsi all'interno del tunnel dell'ondulatore a SLAC, i segmenti dell'ondulatore dovevano essere molto più sottili del solito:gli ingegneri del Berkeley Lab hanno soprannominato il design "noodle". Questo design ha anche reso il supporto in acciaio, o forte, contenenti i numerosi magneti in ogni segmento dell'ondulatore più soggetti a flessioni indesiderate dovute alle circa 4 tonnellate di forza magnetica che devono sopportare.

L'unico, il design ruotato degli ondulatori richiedeva una serie di circa 150 molle per segmento dell'ondulatore che può essere regolata con precisione per mantenere allineate le centinaia di magneti.

Ma anche piccoli sbalzi di temperatura, e lavorazioni semplici come imbullonatura su nuovi componenti, alterato le strutture di supporto del forte oltre ciò che era consentito:i dispositivi dovevano rimanere dritti entro 10 milionesimi di metro.

Quindi il design iniziale dei segmenti doveva essere completamente ripensato, disse Matthaeus Leitner, Ingegnere capo del Berkeley Lab per gli ondulatori LCLS-II.

"Per molto tempo non abbiamo avuto una soluzione, " Ha detto Leitner. "In pratica abbiamo dovuto cambiare ogni singolo componente del dispositivo. Questo è stato un lavoro di squadra di ingegneri e tecnici altamente qualificati."

John Corlett, che è stato capo del team senior di Berkeley Lab nel progetto LCLS-II ed è ora Lab Project Management Officer, disse, "Questo è stato un problema di ingegneria meccanica molto impegnativo. È stato uno sforzo collaborativo tra SLAC, Berkeley, e i laboratori Argonne che lavorano insieme. Abbiamo tenuto diversi workshop, e abbiamo lavorato insieme per risolvere i problemi. È fantastico che siamo riusciti a farlo nel brevissimo lasso di tempo necessario al progetto".

Leitner ha aggiunto, "Un grande punto di forza di Berkeley Lab è la gamma di risorse ingegneristiche. Se si verifica un problema, possiamo mettere immediatamente molte risorse nella risoluzione di un problema. Potremmo risolvere questo problema apparentemente insormontabile entro un paio di mesi. Questo è stato incredibile. È stato possibile solo perché disponiamo di utensili su larga scala, dispositivi di misurazione di precisione, e un'eccellente attrezzatura di supporto ingegneristico."

C'è stato anche uno sforzo sostanziale da parte degli ingegneri del Berkeley Lab per lavorare con e formare i tre fornitori che hanno prodotto e assemblato gli ondulatori. Berkeley Lab ha utilizzato le sue capacità di progettazione e misurazione magnetiche, e sviluppato metodi precisi per assemblare e mettere a punto in modo efficiente gli ondulatori.

Il design ruotato in modo univoco degli ondulatori a raggi X duri alla fine migliorerà le prestazioni del laser a raggi X fornendo più raggi X ai campioni negli esperimenti, ha notato Leitner. "Ti dà una spinta significativa nella potenza di uscita disponibile dei raggi X duri, " Egli ha detto.

Leitner e Corlett dissero che il design, nota come polarizzazione verticale, sarà probabilmente adottato da altri laser a elettroni liberi a raggi X e sorgenti luminose ora che le sfide progettuali per la capacità sono state risolte.

"Questo non è mai stato fatto prima, " ha detto Corlett.

Prossimi passi

Al di là degli ondulatori si trova il Front End Enclosure, o TARIFFA, che contiene una serie di ottiche, diagnostica, e dispositivi di sintonizzazione che preparano i raggi X per esperimenti specifici. Questi includono il più piatto del mondo, specchi più lisci che sono lunghi un metro ma variano in altezza solo della larghezza di un atomo attraverso la loro superficie. Nelle prossime settimane, queste ottiche saranno testate in preparazione di più di 80 esperimenti che saranno condotti da ricercatori di tutto il mondo nei prossimi sei mesi.

"Oggi segna l'inizio dell'era LCLS-II per la scienza dei raggi X, " ha detto Mike Dunne, Direttore LCLS. "Il nostro compito immediato sarà quello di utilizzare questo nuovo ondulatore per indagare sul funzionamento interno del virus SARS-CoV-2. Quindi i prossimi due anni vedranno una straordinaria trasformazione della nostra struttura. Il prossimo sarà l'ondulatore a raggi X molli. , ottimizzato per studiare come l'energia scorre tra atomi e molecole, e quindi il funzionamento interno delle nuove tecnologie energetiche. Oltre a questo ci sarà il nuovo acceleratore superconduttore che aumenterà la nostra potenza dei raggi X di molte migliaia di volte".

Ha aggiunto, "Il futuro è luminoso, come ci piace dire nel mondo dei laser a raggi X."