Ett första i sitt slag röntgeninstrument för gränsforskning med röntgenstrålar med hög ljusstyrka är nu i drift vid Argonne National Laboratory. Den nya enheten använder en unik supraledande teknik som påskyndar elektroner på en väg som liknar en berg- och dalbana.

Insättningsenheten (ID), kallad en Helical Superconducting Undulator (HSCU), designades vid Advanced Photon Source (APS), ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid DOE:s Argonne National Laboratory. Enheten har tre primära fördelar jämfört med andra typer av ID för att producera röntgenstrålar med hög ljusstyrka:(1) den genererar ett starkare magnetfält än andra ID:er; (2) det tillåter forskare att välja en enda energi från röntgenstrålen utan att använda någon röntgenoptik; och (3) den producerar en röntgenstråle med cirkulär polarisation. Argonne utvecklade den spiralformade böljaren med 2 miljoner dollar i finansiering från DOE Office of Science.

Tagen tillsammans, dessa fördelar är spännande för forskare eftersom enheten tillåter dem att samla in data snabbare och renare än med andra enheter, eftersom HSCU inte kräver extra optik för att utföra experiment.

Ett typiskt ID är en uppsättning kraftfulla periodiska magnetiska strukturer som skapar hög ljusstyrka, framåtriktad synkrotronstrålning genom att tvinga en lagrad laddad partikelstråle (elektroner vid APS) att utföra vickor eller böljningar när de passerar genom enheten. HSCU är den senaste i en serie på två decennier långa innovativa ID som designats och levererats av Argonne-forskare och ingenjörer för APS och andra DOE-synkrotronröntgenanläggningar.

En spiralformad supraledande böljare är en mycket utmanande enhet att integrera i en elektronelagringsring, som den på APS, eftersom det inför starka begränsningar för hanteringen av elektronstrålen i lagringsringen. Det kan orsaka störningar i ringoperationer och därav, vid leverans av röntgenstrålar till väntande forskare. Den geniala mekaniska och magnetiska designen av HSCU-spolgeometri som utvecklats av APS-ingenjörer och fysiker gör den icke-störande för den stabila driften av APS-lagringsringen. Forskare vet bara att HSCU finns där på grund av röntgenstrålarna som den levererar.

Efim Gluskin, en Argonne Distinguished Fellow och tidigare APS -avdelningsdirektör som har lett undulatprogrammet vid APS från dess början, liknade elektrongruppens rörelse i HSCU med loopingrörelsen för en rullande berg -och -dalbana som X Flight -turen på Six Flags Great America nöjespark nära Chicago. När elektroner korkar genom enhetens magnetfält, de genererar den cirkulärt polariserade strålningen.

Men för att tvinga elektronernas spiralrörelser, en speciell magnet måste byggas med ett starkt spiraliserande magnetfält. Det målet uppnåddes genom att linda supraledande trådar runt en korkskruvformad sektion av järn. Slutresultatet är en 1,1 meter lång supraledande elektromagnet med många spiralformade alternerande nord-syd-magnetiska poler; dessa magnetiska poler, när HSCU får ström, är det som skickar elektronerna på sin spiralbana.

HSCU ger forskare en mer intensiv röntgenstråle som möjliggör snabbare datainsamling än konventionella undulatorer, vid tidsskalor på en miljarddel av en sekund. Och som konventionella undulatorer, den nya typen av böljare kan möjliggöra forskning om en rad komplexa fenomen, inklusive den utvecklande dynamiken i komplext vätskeflöde och magnetism hos metaller.

Vid användning av konventionella undulatorer, forskare måste använda en extra enhet utrustad med röntgenoptiska komponenter som kallas monokromatorer för att välja sin föredragna energi för röntgenstråle. Men HSCU levererar omedelbart monokromatisk röntgenstråle direkt från böljaren till provet som studeras utan hjälp av en monokromator. Detta ger inte bara en mer intensiv stråle, men också en mer sammanhängande (eller perfekt) stråle eftersom varje optik kommer att ha små brister som kan införa oönskade snedvridningar i röntgenstrålen. Och på toppen av det, förmågan att producera cirkulärt polariserad strålning är viktig, eftersom cirkulärt ljus är känsligt för egenskaper hos ett material som magnetism och molekylär kiralitet - eller handhet - som linjärt eller opolariserat ljus inte kan se.

Den nya böljaren började fungera vid Sector 7-ID röntgenstråle i APS den 19 januari, 2018. Denna balklinje, som hanteras av Argonne X-ray Science Division, är tillägnad ultrasnabba tidsupplösta mätningar av material. Forskare planerar att använda den nya enheten för att studera dynamiken i bränsleinsprutning; en bättre förståelse av den processen kan leda till mer bränslesnåla motorfordon.

"De kan ta med den här strålen direkt från böljaren och göra ett vanligt bildexperiment, som om du skulle ta en röntgen på ett läkarmottagning eller en tandläkare. Men du kan göra det väldigt snabbt här, "med en miljarddels sekunders intervall, sa Jonathan Lang, direktör för röntgenavdelningen vid APS.

En annan teknik som kommer att dra nytta av den nya böljaren är röntgenfotonkorrelationsspektroskopi. Denna teknik är röntgenekvivalenten för att lysa en laserpekare mot en vägg; platsen den genererar verkar skimra, resultatet av intensitetsvariationer. "Det beror på grovheten i väggen, "Sa Lang.

Om denna grovhet skulle förändras miljontals gånger per sekund, forskare skulle kunna upptäcka motsvarande förändring i väggens interferensmönster med hjälp av röntgenfotonkorrelationsspektroskopi. Den enda våglängden som tillhandahålls av den nya böljaren gör det möjligt för experter att titta på hur material utvecklas vid ännu snabbare tidsskalor än vad som var möjligt tidigare. "Genom att titta på röntgenstrålarna och hur de sprids och skimrar, vi kan berätta hur molekyler rör sig i materialet och på vilka tidsskalor de rör sig, "Sa Lang.

Den nya böljaren kommer också att utföra faskontrastavbildning för att belysa vissa aspekter av de fenomen som studeras, såsom dieselbränsle som består av olika lätta element som kallas kolväten. Faskontrastavbildning kan öka kontrasten mellan kolväten och luften under experiment, låta forskare se strukturer som inte är möjliga att observera med konventionell röntgenbildning, som bara visar variationer i densitet. Till exempel, Röntgenbilder tagna på en läkarmottagning visar ben tydligare än den mycket lättare mjukvävnaden.

Gluskin förväntar sig att de nya supraledande undulatorerna kommer att bli ett vanligt verktyg för framtida ljuskällor och fria elektronlasrar eftersom de överträffar befintliga permanentmagnetutbuktare vid leverans av ljusa röntgenstrålar för ett brett energiområde. Och särskilt HSCU öppnar dörren för nästa generation mer kompakta och kostnadsbesparande fria elektronlasrar.

Superledande undulatorteknik är också avgörande för APS -uppgraderingen. Uppgraderingen kommer att utrusta forskare med en nästa generations anläggning för att mer exakt undersöka atom och molekylär struktur och funktion, utvidga USA:s globala ledarskap inom hård röntgen (kort våglängd) vetenskap och teknisk forskning i årtionden framöver.

"Den spiralformade supraledande böljaren gör att vi kan testa några tekniker som vi vill göra vid uppgraderingen, "Sa Lang.