Con una luce abbastanza potente, puoi vedere cose che una volta le persone pensavano fossero impossibili. Le strutture di sorgenti luminose su larga scala generano quella luce potente, e gli scienziati lo usano per creare materiali più durevoli, costruire batterie e computer più efficienti, e scopri di più sul mondo naturale.

Quando si tratta di costruire queste enormi strutture, lo spazio è denaro. Se riesci a ottenere fasci di luce ad alta energia da dispositivi più piccoli, puoi risparmiare milioni sui costi di costruzione. Aggiungete a ciò la possibilità di migliorare significativamente le capacità delle sorgenti luminose esistenti, e hai la motivazione alla base di un progetto che ha riunito scienziati di tre laboratori nazionali del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Questa squadra ha appena raggiunto un importante traguardo che è in lavorazione da più di 15 anni:hanno progettato, costruito e testato completamente un nuovo prototipo di magnete all'avanguardia lungo mezzo metro che soddisfa i requisiti per l'uso in strutture di sorgenti luminose esistenti e future.

Il prossimo passo, secondo Efim Gluskin, un illustre membro dell'Argonne National Laboratory del DOE, è quello di ridimensionare questo prototipo, costruirne uno lungo più di un metro, e installalo in Advanced Photon Source, un DOE Office of Science User Facility ad Argonne. Ma mentre questi magneti saranno compatibili con sorgenti luminose come l'APS, il vero investimento qui, Egli ha detto, è nella prossima generazione di strutture che non sono ancora state costruite.

"La reale portata di questa tecnologia è per le future strutture laser a elettroni liberi, " ha detto Gluskin. "Se riduci le dimensioni del dispositivo, riduci le dimensioni del tunnel, e se puoi farlo puoi risparmiare decine di milioni di dollari. Questo fa una differenza enorme".

Questo obiettivo a lungo termine ha portato Gluskin e i suoi colleghi di Argonne a collaborare con gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory e del Fermi National Accelerator Laboratory, entrambi i laboratori DOE. Ogni laboratorio ha perseguito la tecnologia dei superconduttori per decenni e negli ultimi anni ha concentrato gli sforzi di ricerca e sviluppo su una lega che combina il niobio con lo stagno.

Questo materiale rimane in uno stato superconduttore, il che significa che non offre resistenza alla corrente che lo attraversa, anche se genera campi magnetici elevati, il che lo rende perfetto per costruire i cosiddetti magneti ondulatori. Le sorgenti luminose come l'APS generano fasci di fotoni (particelle di luce) sottraendo l'energia emessa dagli elettroni mentre circolano all'interno di un anello di accumulo. I magneti ondulatori sono i dispositivi che convertono quell'energia in luce, e più alto è il campo magnetico che puoi generare con loro, più fotoni puoi creare dallo stesso dispositivo di dimensioni.

Ci sono alcuni magneti ondulatori superconduttori installati sull'APS ora, ma sono fatti di una lega di niobio-titanio, che per decenni è stato lo standard. Secondo Soren Prestemon, scienziato senior al Berkeley Lab, I superconduttori niobio-titanio sono buoni per i campi magnetici inferiori:smettono di essere superconduttori a circa 10 tesla. (Sono circa 8, 000 volte più forte del tipico magnete da frigorifero.)

"Lo stagno di niobio-3 è un materiale più complicato, "Prestemon ha detto, "ma è in grado di trasportare corrente a un campo più alto. È superconduttivo fino a 23 tesla, ea campi inferiori può trasportare tre volte la corrente del niobio-titanio. Questi magneti vengono mantenuti freddi a 4,2 Kelvin, che è circa meno 450 gradi Fahrenheit, per mantenerli superconduttori."

Prestemon è stato in prima linea nel programma di ricerca sul niobio-3 di Berkeley, che ha avuto inizio negli anni '80. Il nuovo disegno, sviluppato ad Argonne, costruito sul precedente lavoro di Prestemon e dei suoi colleghi.

"Questo è il primo ondulatore di stagno al niobio-3 che ha soddisfatto le attuali specifiche di progettazione ed è stato completamente testato in termini di qualità del campo magnetico per il trasporto del raggio, " Egli ha detto.

Fermilab ha iniziato a lavorare con questo materiale negli anni '90, secondo Sasha Zlobin, che ha avviato e guidato il programma del magnete in stagno niobio-3 lì. Il programma di stagno niobio-3 del Fermilab si è concentrato sui magneti superconduttori per acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider al CERN in Svizzera e il prossimo acceleratore lineare PIP-II, da realizzare sul sito del Fermilab.

"Abbiamo dimostrato il successo con i nostri magneti di stagno al niobio-3 ad alto campo, " ha detto Zlobin. "Possiamo applicare questa conoscenza agli ondulatori superconduttori basati su questo superconduttore".

Parte del processo, secondo la squadra, ha imparato come evitare l'estinzione prematura dei magneti quando si avvicinano al livello di campo magnetico desiderato. Quando i magneti perdono la capacità di condurre corrente senza resistenza, il contraccolpo risultante è chiamato quench, ed elimina il campo magnetico e può danneggiare il magnete stesso.

Il team ha riferito negli Atti della Conferenza sulla superconduttività applicata 2020 che il loro nuovo dispositivo ospita quasi il doppio della quantità di corrente con un campo magnetico più elevato rispetto agli ondulatori superconduttori al niobio-titanio attualmente in uso presso l'APS.

Il progetto si è basato sull'esperienza di Argonne nella costruzione e sul funzionamento di ondulatori superconduttori e sulla conoscenza di Berkeley e Fermilab sullo stagno al niobio-3. Fermilab ha aiutato a guidare il processo, consulenza sulla selezione di fili superconduttori e condivisione dei recenti sviluppi nella loro tecnologia. Berkeley ha progettato un sistema all'avanguardia che utilizza tecniche di calcolo avanzate per rilevare l'estinzione e proteggere il magnete.

Ad Argonne, il prototipo è stato progettato, fabbricato, assemblato e testato da un gruppo di ingegneri e tecnici sotto la guida del Project Manager Ibrahim Kesgin, con contributi alla progettazione, costruzione e test da parte dei membri del team di ondulatori superconduttori APS guidato da Yury Ivanyushenkov.

Il team di ricerca prevede di installare il loro prototipo a grandezza naturale, che dovrebbe terminare l'anno prossimo, al Settore 1 dell'APS, che fa uso di fasci di fotoni ad alta energia per scrutare attraverso campioni di materiale più spessi. Questo sarà un banco di prova per il dispositivo, dimostrando che può funzionare secondo le specifiche di progettazione in una sorgente luminosa funzionante. Ma l'occhio, Gluskin dice, è sul trasferimento di entrambe le tecnologie, niobio titanio e niobio-3 stagno, ai partner industriali e alla produzione di questi dispositivi per futuri impianti di sorgenti luminose ad alta energia.

"La chiave è stato un lavoro costante e persistente, sostenuto dai laboratori e dai fondi di ricerca e sviluppo del DOE, " Ha detto Gluskin. "Sono stati progressi incrementali, passo dopo passo, per arrivare a questo punto».