Forskare vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Argonne National Laboratory har samarbetat för att designa, bygga och testa två enheter som använder olika supraledande material och som kan göra röntgenlasrar mer kraftfulla, mångsidig, kompakt och hållbar.

Dessa prototypenheter, kallade supraledande undulatorer (SCUs), framgångsrikt producerat starkare magnetfält än konventionella permanenta magnetiska undulatorer av samma storlek. Dessa fält, i tur och ordning, kan producera laserljus med högre energi för att öppna ett bredare utbud av experiment.

Flera storskaliga röntgenlasrar pågår runt om i världen för att låta forskare undersöka materiens egenskaper på allt mindre och snabbare skalor, och supraledande undulatorer anses vara bland de mest möjliga teknikerna för nästa generation av dessa och andra typer av ljuskällor.

Sådana ljuskällor är kraftfulla verktyg för att studera den mikroskopiska strukturen och andra egenskaper hos prover, såsom proteiner som är nyckeln till läkemedelsdesign, exotiska material som är relevanta för elektronik och energitillämpningar, och kemi som är central för industriella processer som bränsleproduktion.

Den senaste utvecklingsinsatsen motiverades av SLAC National Accelerator Laboratory's uppgradering av sin Linac Coherent Light Source (LCLS), som är landets enda röntgenfri-elektronlaser (FEL). Det nya projektet, nu på gång, är känd som LCLS-II.

Röntgenfel använder nu permanenta magnetiska böljare för att producera röntgenljus genom att vifta med högenergi-grupper av elektroner i alternerande magnetfält som produceras av en sekvens av permanentmagneter.

Men för första gången, Argonne-forskare har visat att en supraledande böljare kan användas som en frielektronlaserförstärkare för samtida röntgen-FEL.

Teamet vid Department of Energy's Advanced Photon Source (APS) i Argonne byggde och testade framgångsrikt en 1,5 meter lång prototyp SCU-magnet designad för att uppfylla FEL-undulatorkraven. Denna SCU använder supraledande tråd av niob-titan för att linda sina magnetiska spolar.

Denna betydande prestation kan bana väg för att utöka röntgenenergiområdet vid befintliga ljuskällor utan att öka elektronstråleenergin. Detta är en viktig punkt eftersom byggkostnaden för ljusanläggningar huvudsakligen definieras av elektronstrålens energi, sa Efim Gluskin, en utmärkt Argonne -stipendiat och en fysiker och interim gruppledare för Magnetic Devices Group i APS:s Accelerator Systems Division.

Gluskin sa att niob-titanbaserad SCU har utformats för att möta alla utmanande tekniska krav som tillämpas på röntgen-FEL-böljaren, inklusive högprecisionsfältkvalitet och konsistens längs hela magneten. Faktiskt, det har experimentellt bevisats att denna enhet har uppfyllt alla dessa krav. APS SCU-teamet har använt egenutvecklade kryogena system och magnetiska mättekniker för att validera SCU-prestanda.

"Den största utmaningen är att upprätthålla den konsekventa rörelsen hos elektroner inuti en SCU, "sa Gluskin, tillägger att intervallet för accepterad avvikelse från strålrörelsens raka linje över flera meters avstånd bara är några mikron. För jämförelse, ett genomsnittligt människohår är 100 mikron brett.

"Det leder till mycket hårda krav på kvaliteten på magnetfältet som genereras av SCU -magneter, " sa Gluskin.

SLAC:s Paul Emma, acceleratorfysikledningen för LCLS-II-uppgraderingsprojektet samordnade utvecklingen av supraledande undulator.

"Med supraledande undulatorer, sa Emma, "du behöver inte nödvändigtvis sänka kostnaden men du får bättre prestanda för samma sträcka av böljaren."

En supraledande böljare som är lika lång som en permanent magnetisk böljare kan producera ljus som är minst två till tre gånger och kanske upp till tio gånger mer kraftfullt, och kan också komma åt ett bredare spektrum av röntgenvåglängder, Sa Emma. Detta ger en mer effektiv FEL.

Superledande undulatorer har inga makroskopiska rörliga delar, så de kunde tänkas ställas in snabbare med hög precision. Superledare är också mycket mindre benägna att skadas av högintensiv strålning än permanentmagnetmaterial, en betydande fråga i höghastighetsacceleratorer som de som kommer att installeras för LCLS-II.

Det verkar finnas en tydlig väg framåt för att utveckla supraledande undulatorer för uppgraderingar av befintliga och nya röntgenfrielektronlasrar, Emma sa, och för andra typer av ljuskällor.

"Supraledande undulatorer kommer att vara tekniken vi går till så småningom, oavsett om det är de närmaste 10 eller 20 åren, " sa han. "De är kraftfulla nog att producera det ljus vi kommer att behöva – jag tror att det kommer att hända. Folk vet att det är ett tillräckligt stort steg, och vi måste komma dit."

I detta fall, APS-teamet utvecklade tekniken för SCU-konstruktion för att leverera en färdig enhet direkt från monteringsbänken.

"SCU-teamet hittade unika lösningar för att göra denna undulatorprestanda inom strikta specifikationer för LCLS-undulatorsystemet, "sa Yury Ivanyushenkov, en fysiker med Argonne Accelerator Systems Division. "Över åren, SCU-teamet har satt ihop en robust uppsättning tekniska steg och processer för att designa och bygga toppmoderna supraledande undulatorer som framgångsrikt fungerar vid APS. Projektets framgång är det direkta resultatet av de system och anläggningar som finns på APS. "

Geoffrey Pile, Avdelningsdirektör för APS Engineering Support Division i Argonne och tidigare chef för APS LCLS-I undulator-projektet, sade APS har en lång historia och expertis med att designa och konstruera undulatorer för APS och andra nationella laboratorier.

Ett av Argonne-projekten var konstruktionen och konstruktionen av LCLS-I-böljarsystemet-440 fot sofistikerade tekniska komponenter som innehöll 33 banbrytande bultar. LCLS-I-anläggningen vid SLAC National Accelerator Laboratory har nu fungerat framgångsrikt i mer än sju år.

Dessutom, APS-forskare och ingenjörer designade och byggde nyligen en revolutionerande ny horisontal-Gap Vertically Polarizing Undulator-prototyp för LCLS-II-projektet. Det antogs och införlivades i LCLS-II slutdesign, och 32 produktionsenheter kommer att byggas för SLAC av Lawrence Berkeley National Laboratory och industriella partners.

"Under de senaste decennierna, APS ingenjörsteam har konstruerat undulatorer för användning i Argonne och över hela landet, och SCU kan vara det mest utmanande projektet hittills, "Pile sa." Det har flyttat tekniken framåt med stormsteg och belyser expertisen i hela APS. Viktigt, många industriella partners, människor på Argonne, och våra samarbetspartners på SLAC och Berkeley bidrog till framgången för detta projekt och förtjänar kredit. "

Gluskin höll med:"Utvecklingen av denna prototyp är en kulmen på mer än ett decennium av Argonne -åtaganden för ny och innovativ SCU -teknik som kommer att gynna alla DOE -ljuskällor."