Ett område känt för högteknologiska prylar och innovation kommer snart att vara hem för en avancerad supraledande röntgenlaser som sträcker sig 3 miles i längd, byggt av ett samarbete mellan nationella laboratorier. Den 19 januari, den första delen av maskinens nya accelerator anlände med lastbil till SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park efter en längdresa som började i Batavia, Illinois, vid Fermi National Accelerator Laboratory.

Dessa 40 fot långa sektioner, kallas kryomoduler, är byggstenar för en stor uppgradering som kallas LCLS-II som kommer att förstärka prestanda för laboratoriets röntgenfri-elektronlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS).

"Det krävde mångåriga ansträngningar från stora team av ingenjörer och forskare i USA och runt om i världen för att göra ankomsten av den första kryomodulen till SLAC till verklighet, "säger John Galayda, SLAC:s projektledare för LCLS-II. "Och det markerar ett viktigt steg framåt när vi bygger denna innovativa maskin."

Inuti kryomodulerna, strängar av superkalla niobhålrum fylls med elektriska fält som accelererar elektroner till nästan ljusets hastighet. Denna supraledande teknik gör att LCLS-II kan avfyra röntgenstrålar som är, i genomsnitt, 10, 000 gånger ljusare än LCLS i pulser som kommer upp till en miljon gånger per sekund.

Med dessa nya funktioner, forskare har ambitiösa forskningsmål:undersök detaljerna i komplexa material med en upplösning utan motstycke, avslöja sällsynta och övergående kemiska händelser, studera hur biologiska molekyler utför livets funktioner, och kika in i kvantmekanikens konstiga värld genom att direkt mäta de inre rörelserna hos enskilda atomer och molekyler.

Fermi National Accelerator Laboratory bygger hälften av kryomodulerna för laseruppgraderingen LCLS-II, och Thomas Jefferson National Accelerator Facility i Newport News, Virginia, kommer att bygga den andra halvan. Fermilab, Jefferson Lab och SLAC är Department of Energy (DOE) Office of Science laboratorier.

Efter att ha konstruerat kryomodulerna, Fermilab och Jefferson Lab testar var och en omfattande innan fartygen packas och skickas med lastbil. Deras nya hem i Kalifornien kommer att vara tunneln som tidigare upptogs av en del av SLACs 2 mil långa accelerator, ligger 30 fot under marken. Som en hyllning till deras Bay Area -destination, kryomodulerna är målade "internationella apelsiner" för att matcha Golden Gate -bron.

Ett superkallt kylsystem

SLAC -ingenjörer och deras partners bygger ett kryoplantkylskåp - en kraftfull kylanläggning som innehåller kompressorer, pumpar och helium som behövs för att hålla acceleratorn på 2 grader Celsius över absolut noll (eller minus 456 grader Fahrenheit), ungefär samma temperatur som yttre rymden.

Vid dessa låga temperaturer, acceleratorn blir det som kallas supraledande, kunna öka elektroner till höga energier med minimal energiförlust när de färdas genom hålrummen. När elektronerna passerar genom alla 37 kryomoduler, de kommer att resa med nästan ljusets hastighet.

När elektronerna når så höga hastigheter, de passerar genom en serie starka magneter, kallas undulators, som studsar elektronstrålen fram och tillbaka för att generera en röntgenlaserstråle som är mycket ljusare än den nuvarande LCLS, flytta från 120 pulser per sekund till 1 miljon pulser per sekund - långt bortom någon annan anläggning i världen.

Hur en supraledande accelerator fungerar

Segmenten i den nya acceleratorn på SLAC förlitar sig på vad som kallas supraledande radiofrekvensteknik. Mikrovågseffekt som genereras över marken matas genom rör som kallas vågledare till de underjordiska kryomodulerna. Där, Mikrovågorna driver ett oscillerande elektriskt fält som ger resonans inuti niobhålrum och så småningom bygger in styrka till en mycket hög spänning.

När den oscillerande spänningen i varje hålighet är tidsinställd till rytmen hos elektronbuntar som passerar genom hålrummen, elektronerna får en boost av energi och accelererar.

"Om en stämgaffel - en annan typ av resonator - hade samma prestandakvalitet som en av dessa supraledande håligheter, det skulle ringa i över ett år, "säger Marc Ross, en SLAC -acceleratorfysiker som leder utvecklingen av kryomodulerna. "Superledning gör att håligheterna kan accelerera elektronerna i en stadig, kontinuerlig våg utan avbrott, och med extremt hög effektivitet. "

Elementet niob är ett vanligt material för supraledare, och hålrummen är gjorda med en extremt ren version för att minimera eventuella elektriska förluster. Åtta niobhålrum bultas ihop i en sträng inuti varje kryomodul. De är monterade som "ett fartyg i en flaska, "Säger Ross. Hålrummen omges av tre kapslade lager av kylutrustning, med varje successivt lager som sänker temperaturen tills den når nästan absolut noll.

Nästa generations röntgenstrålare

Systemet som håller hålrummen kallt har använts för att kyla magneter som styr partiklar i kolliderare, inklusive Large Hadron Collider vid European Organization for Nuclear Research (CERN) och Fermilabs Tevatron.

Kryomoduler med supraledande radiofrekvenshålrum accelererar elektroner som genererar röntgenstrålar vid den nyligen beställda europeiska röntgenfrielektronlasern. Ingenjörer på Fermilab och Jefferson Lab justerade utformningen av dessa kryomoduler för att skräddarsy utrustningen för LCLS-II. De förbättrade också kvaliteten på hålrummen kraftigt genom en teknik som kallas kvävedopning, som producerar hålrum som genererar mindre värme vid de kallaste temperaturerna. Dessa tweaks minskar energiförlust och gör en mycket ljusare laser möjlig. LCLS-II blir det första stora genomförandet av dessa senaste tekniska framsteg.

För LCLS-II, Lawrence Berkeley National Laboratory, med betydande designbidrag från Argonne National Laboratory, skapade också en ny avancerad "elektronpistol" för att injicera elektroner i acceleratorn och specialiserade undulatorer för att generera röntgenstrålar.

Nya vetenskapliga möjligheter

Med mer frekventa pulser, den uppgraderade lasern gör det möjligt för forskare att samla mer data på kortare tid. Detta ökar antalet experiment som kan utföras och möjliggör nya typer av studier som tidigare var otänkbara.

"Inom bara några timmar, LCLS-II kommer att kunna producera fler röntgenpulser än den nuvarande lasern har levererat i hela sin verksamhet hittills, "säger Mike Dunne, chef för LCLS. "Data som för närvarande skulle ta en månad att samla in kunde produceras på några minuter."

Oftare pulser ökar också chansen att forskare kan, till exempel, observera sällsynta händelser som händer under kemiska reaktioner eller i känsliga biologiska molekyler i deras naturliga miljöer. Den supraledande acceleratorn under konstruktion fungerar parallellt med den ursprungliga. De två laserstrålarna kommer att öppna upp helt nya typer av studier av kvantvärlden, informera utvecklingen av material med nya egenskaper.

Resterande 36 kryomoduler förväntas anlända till SLAC under de kommande 18 månaderna. Byggandet av LCLS-II började förra året. DOE -användaranläggningen kommer att öppna för forskare från hela världen med de bästa idéerna för experiment i början av 2020 -talet.

Läs mer om vetenskapsmöjligheter med LCLS-II.

Då och nu

SLAC har en historia av att ta sig an stora projekt sedan laboratoriets födelse för mer än fem decennier sedan. "Projekt M" (för "Monster"), konstruktionen av en partikelaccelerator som sträcker sig 2 miles i längd, tillät forskare att studera universums byggstenar. Denna linjära accelerator var den längsta som någonsin konstruerats.

År 2009, labbet återanpassade en tredjedel av den ursprungliga 1960-talets kopparaccelerator för att mata in en elektronstråle till LCLS, den första lasern i sitt slag som producerar snabba pulser av "hårda" eller hög energi röntgenstrålar för innovativa avbildningsexperiment. Ytterligare en tredjedel av den ursprungliga kopparlinaken har nu rensats för att ge plats för de nya supraledande kryomodulerna.