Der leistungsstärkste Röntgenlaser der Welt ist nach einer Generalüberholung einsatzbereit. LCLS-II ist ein leistungsstarkes Upgrade der Linear Coherent Light Source (LCLS) von Stanford und verwendet Temperaturen, die niedriger sind als im Weltraum, um Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und eine Million Röntgenblitze pro Sekunde auszusenden.
Der LCLS-II ist der sogenannte Hard X-Ray Free Electron Laser (XFEL), ein Instrument, das entwickelt wurde, um mikroskopische Objekte mit hoher Auflösung und in ultraschnellen Zeitskalen abzubilden.
Sein Vorgänger wurde verwendet, um Viren darzustellen, Bedingungen im Zentrum eines Sterns nachzubilden, Wasser in Plasmazuständen zu kochen, die heißer als der Erdkern sind, den lautesten Ton zu erzeugen und Diamantregen zu erzeugen, der auf Planeten wie Neptun fallen könnte.
Die kürzlich abgeschlossene zweite Phase des Instruments wird noch viel mehr können. Die Röntgenpulse des LCLS-II werden im Durchschnitt 10.000-mal heller sein als die seines Vorgängers, und es wird jede Sekunde eine Million dieser Pulse aussenden – eine enorme Steigerung gegenüber den 120 Pulsen des Originals pro Sekunde.
In nur wenigen Stunden wird der LCLS-II mehr Röntgenpulse erzeugen, als der aktuelle Laser in seiner gesamten Lebensdauer erzeugt hat“, sagte Mike Dunn, Direktor von LCLS.
Daten, deren Erfassung früher Monate dauerte, können jetzt in Minuten abgerufen werden. Dies wird die Röntgenwissenschaft auf die nächste Stufe heben, den Weg für eine Reihe neuer Forschungen ebnen und unsere Fähigkeit erweitern, bahnbrechende Technologien zu entwickeln, um einige der größten Herausforderungen unserer Gesellschaft anzugehen.
Das LCLS-II funktioniert auf die gleiche Weise wie die erste Generation – Elektronen werden erzeugt und dann durch eine lange Röhre beschleunigt, bevor sie auf einen Undulator treffen, der sie zum Schwingen bringt, bis sie Röntgenstrahlen von einer Seite zur anderen abprallen lassen. Aber jetzt wurde jeder Schritt dieses Prozesses aktualisiert.
Die größte Änderung ist das Gaspedal in der Mitte. Während Elektronen zuvor bei Raumtemperatur durch ein Kupferrohr geleitet wurden, verwendet LCLS-II einen Satz von 37 Kryomodulen, um die Ausrüstung auf -271 °C herunterzukühlen, was etwas über dem absoluten Nullpunkt liegt. Dazu werden die Module von zwei großen Helium-Kryogeneinheiten mit flüssigem Helium als Kühlmittel versorgt.
Bei solch niedrigen Temperaturen werden die Hohlräume aus Niobmetall in den Modulen supraleitend, sodass Elektronen ohne Widerstand passieren können.
Mikrowellen werden verwendet, um ein oszillierendes elektrisches Feld anzutreiben, das in diesen Hohlräumen mitschwingt, sich mit dem Rhythmus vorbeiziehender Elektronen synchronisiert und Energie auf sie überträgt. Diese zusätzliche Energie beschleunigt die Elektronen, sodass sie sich, wenn sie alle 37 Kryomodule durchlaufen haben, nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Die Elektronen gelangen dann in Undulatoren, die starke Magnete verwenden, um die Elektronen von einer Seite zur anderen zu ziehen, wodurch sie oszillieren und Röntgenstrahlen emittieren.
Die neuen Undulatoren können sowohl harte als auch weiche Röntgenstrahlen erzeugen, die für eine Vielzahl von Zwecken nützlich sind – harte Röntgenstrahlen können einzelne Atome im Detail zeigen, während weiche Röntgenstrahlen Energieflüsse zwischen Atomen und Molekülen zeigen können.
Laut Wissenschaftlern haben die Kryomodule im April ihre Tiefsttemperatur erreicht, nun ist das Gerät bereit für Tests mit den ersten Elektronen. Das LCLS-II soll voraussichtlich Ende des Jahres mit der Produktion von Röntgenstrahlen beginnen. Sobald dies geschehen ist, soll die Einrichtung neue Einblicke in Chemie, Biologie, Computer und Quantenmechanik liefern.
Quelle: SLAC
2022-05-12 13:55:42
Autor: Vitalii Babkin