Acceleratorsexperter vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory utvecklar sätt att göra den mest kraftfulla röntgenlasern bättre än någonsin. De har skapat världens kortaste röntgenpulser för att fånga elektronernas rörelser, samt ultrahöghastighetståg av röntgenpulser för "filmning" av atomrörelse, och har utvecklat "smarta" datorprogram som maximerar dyrbar experimentell tid.

Med sina röntgenstrålar en miljard gånger ljusare än de som fanns tidigare, SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) har redan revolutionerat området för ultrahög vetenskap och har öppnat nya vägar för forskning inom kemi, biologi och materialvetenskap. Den nya utvecklingen förbättrar röntgenlaserns kapacitet ytterligare.

"Att skapa nya funktioner för LCLS är en mycket viktig pågående satsning på SLAC, "sa Axel Brachmann, chef för avdelningen Linac och FEL vid laboratoriets Accelerator Directorate, vid SSRL/LCLS -användarmöte 2017 i september, där några av dessa utvecklingar presenterades. "Våra ingenjörer och forskare arbetar hårt för att flytta gränserna för vad som är tekniskt möjligt och för att se till att SLAC förblir världsledande inom röntgenvetenskap."

LCLS upptäcktskraft är packad i extremt starka röntgenstrålar, var och en varar bara några femtosekunder - miljondelar av en miljarddel av en sekund. Som ett stroboskopljus som fryser rörelser för snabbt för att se med blotta ögat, dessa blixtar fångar bilder av atomkärnor som snabbt jigglar runt i molekyler och material. Men forskare skulle vilja gå längre och filma de ännu snabbare rörelserna hos en atoms elektroner.

"Dessa supersnabba rörelser är mycket grundläggande eftersom de sätter scenen för alla de långsammare processerna, "säger personalvetaren Yuantao Ding." Men de förekommer på mindre än en femtosekund, och vi behöver en snabbare "kamera" för att fånga dem. "

Två SLAC -lag, ledd av Ding och andra acceleratorfysikern Agostino Marinelli, har nu tagit ett viktigt steg i den riktningen. De demonstrerade två oberoende metoder för generering av röntgenpulser på några hundra attosekunder, eller miljarder av en miljarddel av en sekund, sätta rekord för röntgenlasrar.

Båda grupperna manipulerade de tätt packade buntarna av elektroner som flyger genom en speciell uppsättning magneter, kallas en böljare, för att generera LCLS-röntgenpulser. De tweakade gängen så att bara en del av varje gäng sände röntgenlaserljus-vilket resulterade i en mycket kortare pulslängd.

"Detta är ett stort steg framåt, och använder faktiskt relativt enkla metoder för att generera attosekundpulser av röntgenstrålar med relativt hög energi, "Säger Marinelli." För att ta detta ännu längre, LCLS-användare vill använda mjukare röntgenstrålar för att tillåta dem att studera en atoms yttre elektroner, som är de som är inblandade i kemiska reaktioner. Det visar sig att skapa mjuka röntgenattosekundpulser är en mycket mer komplex process. "

Det är därför Marinelli och andra arbetar med en tredje metod, kallas röntgenlaserförbättrade attosekundpulser (XLEAP). I detta tillvägagångssätt interagerar elektronbuntarna med en infraröd laser inuti böljaren och huggas upp i tunna skivor. Simuleringar tyder på att denna metod, som för närvarande testas vid LCLS, kan producera mjuka röntgenpulser som bara är 500 attosekunder långa.

Nya sätt att filma atomer med flera röntgenblixtar

För att göra filmer av ultrasnabba processer vid LCLS, forskare använder pumpsondtekniken, där de träffade ett prov med en "pump" -puls från en konventionell laser för att utlösa ett atomrespons och sedan undersöka svaret med en "sond" -puls från röntgenlasern. Genom att variera tiden mellan de två pulserna, de kan skapa en stop-actionfilm som visar hur provets atomstruktur förändras över tiden.

Detta fungerar bra så länge processen, såsom brytning av en kemisk bindning i en molekyl, kan initieras med en konventionell laser som avger synlig, infrarött eller ultraviolett ljus. Dock, vissa reaktioner kan bara utlösas av de högre energierna hos röntgenljuspulser.

I princip, dessa experiment kan göras vid LCLS nu, men tiden mellan pulser skulle begränsa studier till processer som är långsammare än 8 millisekunder. Även med den framtida LCLS-II-uppgraderingen, som kommer att "skjuta" upp till en miljon pulser per sekund, denna gräns skulle fortfarande vara en mikrosekund. Därför, acceleratorfysiker uppfinner metoder som genererar ultrahöghastighetståg av röntgenblixtar för att utforska mycket snabbare processer.

"SLAC testar och implementerar ett antal flerpulstekniker för röntgenpumpsondförsök med mjuka och hårda röntgenstrålar, som split-undulator, tvilling-gäng, färska skivor och två hinkar, "säger personalvetaren Alberto Lutman." Tillsammans täcker de ett brett spektrum av mycket korta pulsfördröjningar - från noll fördröjning, vilket betyder att pump- och sondröntgenpulserna träffar provet samtidigt, till förseningar på bara några femtosekunder, och sedan hela vägen till mer än 100 nanosekunder mellan pulser. "

Lutman står i spetsen för utvecklingen av färskskivtekniken, där huvudet, svansen och mitten av ett enda elektronbunt kan producera separata röntgenpulser i separata sektioner av böljaren. "Detta är en extremt flexibel metod, "säger han." Det låter oss fint variera fördröjningen mellan pulserna, och det gör det också möjligt för oss att justera färgen och polarisationen för varje röntgenpuls individuellt. "

Experiment med pulser i flera färger, eller röntgenenergier, burk, till exempel, förbättra detaljer i studier av 3-D atomstrukturer och funktioner hos molekyler, såsom medicinskt viktiga proteiner. Fresh-slice-metoden har också potential att öka effekten av extremt korta röntgenpulser, och det har använts i såddtekniker som förbättrar röntgenlaserprestanda genom att göra ljuset mindre bullrigt.

De flesta av flerpulsmetoderna har visats för snabba sekvenser av två eller tre röntgenblixtar, men användningen av ännu fler pulser är vid horisonten. Ett team som leds av acceleratorfysikern Franz-Josef Decker arbetar för närvarande med en teknik som använder flera laserpulser för att generera tåg med upp till åtta röntgenpulser. Detta skulle göra det möjligt för forskare att följa den komplexa utvecklingen av hur ett material reagerar på högtryckschocker, till exempel vid studier av meteoritkollisioner.

"Smart" kontroll av en komplex upptäcktsmaskin

Grunden för all ovanstående forskning är behovet av att hitta nya sätt att köra LCLS på det mest effektiva sättet så att fler experiment kan rymmas. Anläggningen är en av endast fem hårda röntgenlasrar som är verksamma i världen, och tillgången till den är extremt konkurrenskraftig. En väg för att öka mängden experimentell tid är att minimera den tid det tar att justera maskinen för att möta behoven hos specifika experiment.

"Varje år lägger vi många timmar på att optimera maskinen, vilket innebär tråkiga justeringar av ett stort antal LCLS -magneter, "säger SLAC -personalvetaren Daniel Ratner." Vi vill automatisera detta förfarande till ledig tid för de aktiviteter som faktiskt kräver mänskligt engagemang. "

Tills för ungefär ett år sedan, han säger, all finjustering gjordes manuellt. Nu är det gjort med hjälp av datorer, som redan har halverat optimeringstiden. Men laboratoriets acceleratorsexperter vill ta automatiseringen till nästa nivå genom att använda en typ av artificiell intelligens som kallas "maskininlärning"-ett tillvägagångssätt där "smarta" datorprogram lär sig av tidigare röntgenlaseroptimeringar istället för att upprepa samma rutin varje tid.

"Detta kommer att leda till betydande ytterligare tidsbesparingar, "säger acceleratorfysikern Joseph Duris, som leder initiativet för maskininlärning från SLAC:s Accelerator Directorate. "Smartare optimeringsalgoritmer hjälper oss också att utforska helt nya LCLS -konfigurationer för att förbereda framtida experiment."

Sist men inte minst, maskininlärning hjälper labbet att effektivt hantera två komplexa röntgenlasrar sida vid sida när LCLS-II-uppgraderingen är klar.