Per fornire fasci di raggi X che siano sia molto luminosi che molto ben focalizzati, un team Argonne ha dovuto creare un nuovo sistema di specchi, obiettivi e attrezzature per la sorgente fotonica avanzata aggiornata.

Nel film "Aladino, " Robin Williams ha espresso un enorme genio blu che viveva all'interno di una piccola lampada magica. Il personaggio ha descritto la sua situazione in questo modo:"Potere cosmico fenomenale! Piccolo spazio vitale!"

In un modo, questa è la sfida per il team che progetta il sistema ottico per l'aggiornamento dell'Advanced Photon Source (APS), un U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility presso l'Argonne National Laboratory del DOE. Quando la struttura tornerà online, attualmente previsto per il 2024, l'APS aggiornato fornirà fasci di raggi X fino a 500 volte più luminosi di quelli generati nella struttura attuale. È compito del team di ottica capire come focalizzare quei raggi intensi fino a dimensioni incredibilmente piccole.

In breve, questi fasci eccezionalmente luminosi devono essere ridotti a dimensioni di punti minuscoli, spesso più piccolo di un micron, significato più piccolo di batteri o cellule del sangue. Gli scienziati useranno questi strettamente focalizzati, fasci estremamente luminosi per scoprire le proprietà di nuovi materiali per nuovi dispositivi, ad esempio, o per aiutare a sviluppare la prossima generazione di farmaci che miglioreranno la nostra vita quotidiana.

Le sorgenti luminose come l'APS utilizzano una combinazione di specchi, dispositivi complessi chiamati monocromatori, e lenti per manipolare e focalizzare i raggi X in vari modi. Questi componenti sono tutti installati in stazioni terminali dell'esperimento chiamate linee di luce situate intorno all'APS. Scienziati di tutto il mondo usano quei raggi X per scoperte scientifiche. L'aggiornamento di questa macchina richiederà una nuova tecnologia e componenti ottici di nuova concezione più precisi di quelli in uso presso l'attuale APS.

"Tutte le linee di luce, comprese nove di nuova costruzione e 15 con miglioramenti significativi, saranno allo stato dell'arte, e progettato per fare qualcosa che prima non potevamo fare, " disse Lahsen Assoufid, leader del gruppo ottico nella divisione di scienze dei raggi X (XSD) di Argonne. "Stiamo progettando ottiche completamente nuove per le nove nuove linee di luce. Non ci sono ottiche esistenti che possiamo riutilizzare per loro".

A seguito dell'aggiornamento, l'APS genererà una sorgente di raggi X di circa 10 micron in verticale e 30 micron in orizzontale, molto più piccolo di quello che la struttura offre ora. Assoufid e il suo team sono incaricati di progettare un sistema che consentirà agli scienziati di focalizzare quel raggio molto luminoso fino a dimensioni incredibilmente piccole. Il sistema deve farlo preservando anche la coerenza dei raggi X. La coerenza è la qualità della luce che le consente di trasportare informazioni quando rimbalza sulle superfici. Quando questi fasci di raggi X aggiornati si diffrangono da un campione, forniranno maggiori informazioni su quel campione ai rilevatori, ottenendo un quadro più dettagliato.

"Vogliamo assicurarci che il raggio coerente sia preservato, " Ha detto Assoufid. "Penso che sia la sfida più grande. Vogliamo che gli specchi conservino la qualità del raggio nell'ottica di messa a fuoco. Vogliamo tutta questa luce coerente in uno spot di piccole dimensioni, per accelerare i tempi di misurazione."

Xianbo Shi è un fisico con XSD, e ha progettato molti di questi nuovi sistemi con l'aiuto dello staff di ogni linea di luce con cui lavora. In totale, Egli ha detto, l'aggiornamento APS richiederà più di 1, 700 lenti e quasi 60 specchi lucidatissimi. Ciascuno dei sistemi ottici doveva essere progettato appositamente per i dettagli rigorosi. così esigente, infatti, che la tecnologia non esisteva per progettarli in modo efficiente:il team di ottica di aggiornamento APS ha dovuto sviluppare il proprio software, migliorare lo stato dell'arte, prima che potessero andare avanti.

"Ad ogni passo, usiamo il miglior software e sviluppiamo su di esso, " Shi ha detto. "Dobbiamo progettare il software in modo da poter progettare l'ottica".

Gli specchi che sono stati progettati, Shi ha detto, sono lo stato dell'arte più esigente al mondo. Ci sono solo un paio di aziende al mondo che possono realizzarli, Egli ha detto, perché per preservare le qualità della trave, gli specchi devono essere quasi perfettamente lisci. Questo va oltre la tradizionale lucidatura chimica meccanica e rimuove gli atomi dalle loro superfici uno per uno.

Infatti, Assoufid ha detto, c'è solo un'azienda al mondo in grado di fornire la levigatezza richiesta da alcuni di questi specchi. Circa 20 dei mirror necessari per l'aggiornamento proverranno da questa azienda, Egli ha detto. Ci vuole circa un anno per fare specchi come questi, e se non passano l'ispezione, l'azienda dovrà ricominciare quasi da zero.

Le lenti non devono essere così lisce, Shi ha detto, ma il loro design e la loro fabbricazione sono ancora estremamente dettagliati. Le lenti sono concave, il che significa che si curvano verso l'interno. Quella curva deve essere creata esattamente per le specifiche di progettazione in modo che focalizzino il raggio come previsto.

Il team di ottica ha anche sviluppato una tecnologia che utilizza l'intelligenza artificiale per consentire ad alcune linee di luce di modificare le dimensioni del raggio in modo rapido e preciso, senza che gli scienziati effettuino modifiche. ATOMICO, una delle nuove linee di luce, è progettato per sondare la struttura, proprietà chimiche e fisiche dei campioni con una precisione senza precedenti. A volte ciò richiederà che gli scienziati mettano a fuoco al volo le dimensioni del raggio.

"L'ottica a specchio zoom significa che ha bisogno di due paia di specchi di messa a fuoco, quindi la dimensione del raggio può cambiare al campione, " ha spiegato Assoufid. "Gli scienziati della linea di luce non hanno tempo per allineare gli specchi, quindi deve essere fatto automaticamente. Se vogliono focalizzare il raggio in un punto, e poi cambia la taglia, possono visualizzare il loro campione su scale diverse".

Gli specchi e le lenti necessari per l'aggiornamento APS sono così precisi che alcuni di essi possono essere testati solo in un vero raggio di raggi X. Appena arrivano in laboratorio dalle aziende che li producono, il team li verificherà presso il Settore 1 dell'APS oltre ad eseguire la metrologia ottica tradizionale. Ogni mirror impiega fino a una settimana o più per essere testato, e il team ha dovuto sviluppare nuovi strumenti e tecnologie per farlo. Hanno anche creato nuovi sistemi diagnostici per ciascuna delle linee di luce, misurare ciò che prima non poteva essere misurato.

"La qualità del raggio è importante, quindi abbiamo bisogno di un modo per misurarlo, "Shi ha detto. "Così abbiamo speso qualche sforzo per sviluppare una nuova tecnologia di test del fronte d'onda. Migliora lo stato dell'arte. Possiamo monitorare la linea di luce quando si cambia l'ottica e raccogliere informazioni per controllarla".

I nuovi specchi, obiettivi e altre apparecchiature saranno installate durante il periodo di un anno in cui l'APS verrà spento per la costruzione di aggiornamenti. L'inizio del periodo di installazione è previsto per aprile 2023. Quando il nuovo sistema ottico sarà terminato, Assoufid ha detto, l'effetto sarà come regalare all'APS un nuovo paio di occhiali. Ciò che una volta era sfocato e difficile da vedere, ora verrà messo a fuoco.

"Sarò felice quando vedremo le prime luci, " ha detto. "Abbiamo fatto molti progressi, ma c'è molto lavoro da fare. Sono emozionato, ma sarò pienamente soddisfatto quando tutto sarà finito".