Det centrala navet för kraftfulla elektronstrålar vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory får en makeover för att förbereda installationen av LCLS-II – en stor uppgradering av Linac Coherent Light Source (LCLS), världens första hårda röntgenfria elektronlaser. LCLS-II kommer att leverera den mest kraftfulla röntgenstrålningen som någonsin gjorts i ett labb, med strålar som är 10, 000 gånger ljusare än tidigare, öppnar upp för oöverträffade forskningsmöjligheter inom kemi, materialvetenskap, biologi och energiforskning.

Navet, kallas Beam Switch Yard (BSY), är en 600 fot lång sektion belägen i den östra änden av labbets historiska 2 mil långa linjäraccelerator (linac), där högenergielektroner från acceleratorn omdirigeras till experimentstationer. Dessa "elektrontåg" påminner om de olika linjerna i ett tunnelbanesystem som förbinder olika platser i en stad.

"Den nya BSY-designen rensar vägen för LCLS-II och tillåter det bredaste utbudet av alternativ för framtidens röntgenlaser, " säger SLAC:s Scott DeBarger, chef för BSY Reconfiguration Project.

Dagens LCLS, en användaranläggning för DOE Office of Science, använder en enkel elektronlinje som börjar vid en elektroninjektor i början av den sista tredjedelen av linacens ursprungliga kopparaccelerator och slutar strax bortom LCLS-undulatorn – en serie magneter som omvandlar elektronernas energi till ultraljusa röntgenstrålar.

Men den framtida anläggningen kommer att behöva fler anslutningar. Förutom kopparlinac, LCLS-II kommer att ha en supraledande accelerator som kommer att öka röntgenlaserns avfyrningshastighet till upp till en miljon pulser per sekund. Den nuvarande undulatorn kommer också att ersättas med två toppmoderna undulatorer för generering av låg- (mjuk) och högenergi (hård) röntgenstrålar. BSY-omkonfigurationen säkerställer att båda elektronstrålarna kommer att kunna matas in i båda undulatorerna, vilket kräver fyra huvudlinjer.

För att ge forskare vid LCLS-II kontroll över frekvensen av röntgenpulser i sina experiment, en annan linje kan styra elektrontåg som kommer från den supraledande linacen till en stråldump innan de når undulatorerna.

En sjätte linje kommer att leda till ändstation A för experiment som använder de extremt kraftfulla elektronstrålarna direkt.

SLACs mekaniska ingenjör och systemchef Jose Chan och hans team designade LCLS-II-strållinjen som går genom BSY-omkonfigurationsområdet, inklusive en vakuumkammare som binder LCLS-II supraledande linac till strållinjen från kopparlinac som för närvarande används för hårda röntgenundulatorer.

En monumental saneringsoperation

För att rensa sökvägen för LCLS-II, besättningarna var först tvungna att ta bort allt onödigt material från BSY – en monumental uppgift med tanke på SLAC:s rika historia inom acceleratorvetenskap och det äldre material som den skapade.

"När experimenten slutar, det mesta av den gamla utrustningen lämnas vanligtvis på plats, " säger SLACs Mark Woodley, en optikdesigner involverad i BSY Reconfiguration Project. "Bara de saker som är i vägen för nya experiment tas ut."

I början av 1960-talet, linac levererade elektronstrålar till tre experimentstationer. Det gick en linje rakt in på labbets forskningsgård. Idag fortsätter denna linje till LCLS undulator. Pulsade magneter i BSY:n kunde avleda strålen till ändstationerna A och B via två strållinjer som förgrenade sig från centrallinjen.

1980, ytterligare två grenar lades till för att mata elektroner och positroner, elektronernas antipartikelsyskon, i de två lagringsringarna i PEP-acceleratorn (PEP-II från 1999). 1987, ytterligare två grenar behövdes för att leverera strålar till de två armarna på Stanford Linear Collider (SLC).

Det mesta av det gamla material som lämnats kvar i BSY genom dessa experiment har nu rensats – ett jobb som tog 300 anställda och underleverantörer nästan 24, 000 timmars arbete under perioden december 2016 till maj 2017. De tog bort 325 kubikmeter, eller cirka 24 ton, material – tillräckligt för att fylla åtta sjö-landtransportcontainrar – och mer än 300, 000 fot kablar.

"Med tanke på den monumentala uppgift vi hade framför oss, det är verkligen imponerande hur bra det här projektet gick, " DeBarger säger. "Det involverade många människor från och utanför labbet, och varenda en av dem behövdes absolut."

Bygga framtiden för röntgenvetenskap

Efter att ha rensat ut BSY, medlemmar i Reconfiguration Project installerade en ny strållinje som går från kopparlinac till den nuvarande LCLS-undulatorn. Parallellt, systemet för att extrahera elektroner för ändstation A-linjen sattes på plats av ett annat projektteam.

"Vi installerade också det allra första LCLS-II strålröret i änden av en 'myonsköld' som är konstruerad av 5- och 10-tons stålblock och skyddar stråltransporthallen nedströms BSY, tillåter åtkomst medan strålar är inställda i BSY, " säger Dean Hanquist, kontrollkontoansvarig i Chans team.

"I slutet, vi var tvungna att se till att allt fungerar som det ska igen för LCLS, som nu har återupptagit sitt experimentella program, " säger BSY-områdesfysiker Tonee Smith. "T.ex. alla magneter som används i strållinjen för att fokusera elektronstrålen och göra små korrigeringar av den renoverades, och vi var tvungna att mäta om och testa dem."

De återstående strållinjerna och korsningarna kommer att installeras under en årslång LCLS-stopptid, som startar sommaren 2018. När det är klart, det nya BSY "metro-systemet" kommer att vara redo att transportera elektrontåg till den nya röntgenlaseranläggningen, där de kommer att driva banbrytande röntgenvetenskap i många år framöver.