Най-мощният рентгенов лазер в света вече изстрелва милион изблици в секунда

Най-мощният рентгенов лазер в света е готов за работа след мащабен ремонт. Мощно надграждане на линейния кохерентен източник на светлина (LCLS) на Станфорд, LCLS-II използва температури, по-ниски от дълбокия космос, за да ускори електроните до почти светлинна скорост и да изстреля милион рентгенови изблици в секунда.

LCLS-II е това, което е известно като твърд рентгенов лазер със свободни електрони (XFEL), инструмент, предназначен за заснемане на изображения на микроскопични обекти с висока разделителна способност и в свръхбързи времеви мащаби. Неговият предшественик е бил използван за изобразяване на вируси, пресъздаване на условията в центъра на звезда, сваряване на водата в плазмени състояния, по-горещи от ядрото на Земята, създаване на възможно най-силния звук и създаване на вида „диамантен дъжд“, който може да падне върху планети като Нептун .

Новозавършената втора фаза на инструмента ще бъде способна на много повече. Рентгеновите импулси от LCLS-II ще бъдат средно 10 000 пъти по-ярки от тези на предшественика му и той ще изстрелва милион от тях всяка секунда – огромно увеличение спрямо само 120 импулса в секунда на оригинала.

„Само за няколко часа LCLS-II ще произведе повече рентгенови импулси, отколкото сегашният лазер е генерирал през целия си живот“, каза Майк Дън, директор на LCLS. „Данните, чието събиране някога можеше да отнеме месеци, могат да бъдат получени за минути. Това ще изведе рентгеновата наука на следващото ниво, проправяйки пътя за цяла нова гама от изследвания и подобрявайки способността ни да разработваме революционни технологии за справяне с някои от най-дълбоките предизвикателства, пред които е изправено нашето общество.”

LCLS-II работи по същия основен начин като първото поколение – електроните се генерират и след това се ускоряват надолу по дълга тръба, преди да влязат в „ондулатор“, който ги кара да се люлеят, докато не изхвърлят рентгеновите лъчи отстрани. Но всяка стъпка от този процес вече има надстройка.

Най-големият ремонт е газта в средата. Когато преди това електроните са били изстрелвани по медна тръба при стайна температура, LCLS-II използва набор от 37 криомодула за охлаждане на оборудването до -271 °C (-456 °F), косъм над абсолютната нула. Това се постига чрез подаване на течен хелиев охлаждащ агент в модулите от две големи хелиеви криоцентрали.

При толкова ниски температури кухините на ниобиевия метал вътре в модулите стават свръхпроводящи, което позволява на електроните да преминават с нулево съпротивление. Микровълните се използват за захранване на осцилиращо електрическо поле, което резонира вътре в тези кухини, синхронизирайки се с ритъма на преминаващите електрони, така че да им предава енергия. Тази добавена енергия ускорява електроните, така че докато преминат през всичките 37 криомодула, те се движат със скорост, близка до скоростта на светлината.

След това електроните преминават в ондулаторите, които използват силни магнити, за да дърпат електроните от едната към другата страна, което ги кара да се люлеят и да ги карат да излъчват рентгенови лъчи. Новите ондулатори могат да генерират както „твърди”, така и „меки” рентгенови лъчи, които са полезни за различни цели – твърдите рентгенови лъчи могат да изобразят детайлно отделни атоми, докато меките рентгенови лъчи могат да покажат потока на енергия между атоми и молекули .

След като криомодулите достигат ниската си температура през април, инструментът вече е готов за тестване с първите електрони, казва екипът. Очаква се LCLS-II да започне да произвежда рентгенови лъчи по-късно тази година. След като това стане, се очаква съоръжението да предостави нови прозрения за химията, биологията, изчисленията и квантовата механика.

Историята на LCLS и надстройката на LCLS-II е описана във видеото по-долу.

Източник: Станфордска SLAC лаборатория