För cirka 10 år sedan, världens mest kraftfulla röntgenlaser – Linac Coherent Light Source – gjorde sin debut på SLAC National Accelerator Laboratory. Nu är nästa revolutionerande röntgenlaser i en klass för sig, LCLS-II, är under uppbyggnad på SLAC, med stöd från fyra andra nationella DOE-laboratorier.

Forskare i biologi, kemi och fysik kommer att använda LCLS-II för att undersöka grundläggande delar av materia, skapa 3D-filmer av komplexa molekyler i aktion, gör LCLS-II till en kraftfull, mångsidigt instrument i framkant av upptäckten.

Projektet kommer samman till stor del tack vare ett avgörande framsteg inom områdena partikel- och kärnfysik:supraledande acceleratorteknik. DOE:s Fermilab och Thomas Jefferson National Accelerator Facility bygger de supraledande moduler som behövs för acceleratoruppgraderingen för LCLS-II.

Ett kraftfullt verktyg för upptäckt

Inuti SLAC:s linjära partikelaccelerator idag, skurar av elektroner accelereras till energier som gör att LCLS kan avfyra 120 röntgenpulser per sekund. Dessa pulser varar i kvadrilliondelar av en sekund – en tidsskala som kallas femtosekund – vilket ger forskare en blädderbok-liknande titt på molekylära processer.

"Över tid, du kan bygga upp en molekylär film om hur olika system utvecklas, " sa SLAC-forskaren Mike Dunne, direktör för LCLS. "Det har visat sig vara ganska anmärkningsvärt, men det har också ett antal begränsningar. Det är där LCLS-II kommer in."

Med hjälp av den senaste partikelacceleratortekniken, LCLS-II kommer att ge en svindlande miljon pulser per sekund. Förskottet kommer att ge en mer detaljerad titt på hur kemiska, material och biologiska system utvecklas i en tidsskala där kemiska bindningar skapas och bryts.

För att verkligen förstå skillnaden, föreställ dig att du är en utomjording som besöker jorden. Om du tar en bild om dagen av en stad, du skulle lägga märke till vägar och bilarna som kör på dem, men man kunde inte säga hastigheten på bilarna eller vart bilarna går. Men att ta en ögonblicksbild med några sekunders mellanrum skulle ge dig en mycket detaljerad bild av hur bilar strömmar genom vägarna och skulle avslöja fenomen som trafikstockningar. LCLS-II kommer att tillhandahålla denna typ av stegförändringsinformation tillämpad på kemikalier, biologiska och materiella processer.

För att nå denna detaljnivå, SLAC behöver implementera teknik utvecklad för partikelfysik – supraledande accelerationskaviteter – för att driva LCLS-II frielektronlasern, eller XFEL.

Accelererande vetenskap

Kaviteter är strukturer som ger energi till partikelstrålar, accelererar partiklarna i dem. LCLS-II, som moderna partikelacceleratorer, kommer att dra fördel av supraledande radiofrekvenskavitetsteknologi, även kallad SRF-teknik. När den svalnat till 2 Kelvin, supraledande kaviteter tillåter elektricitet att flöda fritt, utan något motstånd. Som att minska friktionen mellan ett tungt föremål och marken, mindre elektriskt motstånd sparar energi, gör det möjligt för acceleratorer att nå högre effekt till lägre kostnad.

"SRF-tekniken är det möjliggörande steget för LCLS-II:s miljoner pulser per sekund, ", sa Dunne. "Jefferson Lab och Fermilab har utvecklat denna teknologi i flera år. Kärnexpertisen för att göra LCLS-II möjliga liv i dessa labb."

Fermilab modifierade en kryomoduldesign från DESY, i Tyskland, och speciellt förberedde kaviteterna för att hämta rekordprestanda från kaviteterna och kryomodulerna som kommer att användas för LCLS-II.

De cylinderformade kryomodulerna, cirka en meter i diameter, fungera som specialiserade behållare för att hysa hålrummen. Inuti, ultrakallt flytande helium flödar kontinuerligt runt hålrummen för att säkerställa att de bibehåller de orubbliga 2 Kelvin som är nödvändiga för supraledning. Uppradade ände till ände, 37 kryomoduler kommer att driva LCLS-II XFEL.

Fermilab och Jefferson Lab delar ansvaret för att tillverka, testa och leverera kryomodulerna till SLAC. Tillsammans, de två labben kommer att bygga alla kryomoduler som ska inrymma hålrummen. Fermilab kommer att tillhandahålla 19 kryomoduler, och Jefferson Lab kommer att tillhandahålla de övriga 18. Den största av dessa cylindrar når 12 meter (40 fot) i längd, ungefär längden på en skolbuss. Varje labb kommer också att skicka några reservdelar till SLAC också.

Kaviteterna och deras kryomoduler representerar genombrott inom SRF-teknik, tillhandahålla högenergistrålar mycket mer effektivt än vad som tidigare varit möjligt. Forskare har förbättrat SRF-hålrum för att uppnå rekordgradienter, ett mått på hur snabbt en stråle kan uppnå en viss energi. Kaviteterna uppnådde också nyligen ett aldrig tidigare skådat resultat i sin energieffektivitet, fördubbling av den tidigare toppmoderna designen samtidigt som kostnaden sänks.

Forskarna och ingenjörerna var noggranna med att utveckla LCLS-II:s acceleratorkomponenter. Till exempel, för att skapa kryomoduler och hålrum, Fermilab använde jordbävningsdetekteringsutrustning för att identifiera om vibrationer som påverkade hålrummens effektivitet var interna eller externa. När de väl bestämt orsaken, de ändrade konfigurationen av rören för flytande helium för att minska dessa vibrationer.

Fermilab och Jefferson Lab kommer också att skicka forskare och ingenjörer för att hjälpa SLAC när LCLS-II först sätter igång kryomodulerna.

Jefferson Lab tillhandahåller också design och anskaffning av de kryogena kylanläggningarna som levererar det flytande heliumet för att kyla SRF-hålrummen till 2 Kelvin, medan Fermilab tillhandahåller design och anskaffning av komponenter för de kryogena distributionssystemen som flyttar flytande helium från dessa anläggningar till kryomodulerna. Berkeley Lab och Argonne National Laboratory bidrar också med komponenter för LCLS-II, inklusive källan som tillhandahåller elektronstrålen och magneterna som tvingar strålen in i den vågliknande rörelsen som skapar röntgenljuset. Cornell University stödde FoU för LCLS-II kavitetsprototyper och hjälpte till att bearbeta kaviteterna.

"Vi sitter alla i samma båt, sade Rich Stanek, LCLS-II Fermilab senior lagledare. "Detta nära samarbete mellan nationella laboratorier bådar gott för framtida projekt. Det har fördelar utöver själva projektet."

Dessa fördelar har gjort LCLS-II till ett av de högsta prioriterade projekten för DOE:s Office of Science och expanderar bortom partnerlaboratoriernas intressen. LCLS-II förväntas bygga på sin stamfader, dyka ännu djupare in i områden som sträcker sig från biologi och kemi till materialvetenskap och astrofysik.

Öppna upp, dyka djupt

Eric Isaacs, ordföranden för Carnegie Institution for Science och ordförande för SLAC Scientific Policy Committee, har redan granskat ett antal förslag för LCLS-II.

"Det finns hur många processer som helst som sker på mycket korta tidsskalor, "Isaacs sa, en kondenserad materia fysiker av utbildning. "Och LCLS-II öppnar upp helt nya områden inom vetenskapen att studera."

En sådan fråga kommer att använda röntgenlasern för att undersöka material under förhållanden som liknar själva mitten av vår planet och få insikt i hur jorden bildades. Astrofysiker skulle då kunna anpassa den informationen för sitt sökande efter liv på exoplaneter.

Med LCLS-II, forskare kommer att kunna studera fotosyntes på en djupare nivå än någonsin tidigare. Förhoppningen är att människor en dag ska kunna reversera fotosyntesen och utnyttja ett nytt biologiskt verktyg för att generera energi.

Ett av sätten som LCLS-II kommer att främja forskning inom biologi är genom att kartlägga proteiner och enzymer under förhållanden som liknar deras normala miljöer. Denna djupare förståelse kommer att bana väg för forskare att skapa bättre läkemedel.

Forskare avser också att använda LCLS-II för att undersöka supraledare, vilket gör att maskinens användning av acceleratorteknik fullbordas. Nuvarande supraledare begränsas av deras behov av specifika, låga temperaturer. Genom att förstå atomfenomenet supraledning, forskare kanske kan skapa en rumstemperatur supraledare.

"Partikel- och kärnfysik har utvecklat den supraledande teknologin och kapaciteten som LCLS-II kommer att använda, " Sa Isaacs. "Dessa framsteg kommer att göra det möjligt för LCLS-II att titta på några av de viktigaste frågorna inom många vetenskapsgrenar."

Som med alla större framsteg, den sanna transformativa kraften hos LCLS-II kommer att avslöjas när dess röntgenstrålar lyser upp ett prov för första gången. LCLS-II är planerad att starta 2021.