För drygt ett decennium sedan i april 2009, världens första hårdröntgenfrielektronlaser (XFEL) producerade sitt första ljus vid det amerikanska energidepartementets SLAC National Accelerator Laboratory. Linac Coherent Light Source (LCLS) genererade röntgenpulser en miljard gånger ljusare än något som hade kommit tidigare. Sedan dess, dess prestanda har möjliggjort grundläggande nya insikter inom ett antal vetenskapliga områden, från att skapa "molekylära filmer" av kemi i aktion till att studera strukturen och rörelsen hos proteiner för nya generationer av läkemedel och replikera de processer som skapar "diamantregn" inom gigantiska planeter i vårt solsystem.

Nästa stora steg på detta område sattes igång 2013, lanserar uppgraderingsprojektet LCLS-II för att öka röntgenlaserns kraft tusentals gånger, producerar en miljon pulser per sekund jämfört med 120 per sekund idag. Denna uppgradering ska slutföras inom de kommande två åren, och DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) är bland en grupp medarbetare som har gjort stora bidrag.

I dag, den första fasen av uppgraderingen togs i drift, producerar en röntgenstråle för första gången med ett kritiskt element i den nyinstallerade utrustningen.

"LCLS-II-projektet representerar den kombinerade ansträngningen av fem nationella laboratorier från hela USA, tillsammans med många kollegor från universitetssamhället och DOE, sa Chi-Chang Kao, direktör för SLAC. "Dagens framgång speglar det enorma värdet av pågående partnerskap och samarbete som gör det möjligt för oss att bygga unika världsledande verktyg och kapacitet."

XFELs fungerar i en tvåstegsprocess. Först, de accelererar en kraftfull elektronstråle till nästan ljusets hastighet. De skickar sedan denna stråle genom en utsökt avstämd serie magneter i en enhet som kallas en undulator, som omvandlar elektronenergin till intensiva utbrott av röntgenstrålar. Utbrotten är bara miljondelar av en miljarddels sekund långa – så korta att de kan fånga uppkomsten av en kemisk bindning och producera bilder med atomär upplösning.

LCLS-II-projektet kommer att förvandla båda delarna av anläggningen - genom att installera en helt ny accelerator som använder kryogen supraledande teknologi för att uppnå den oöverträffade upprepningshastigheten i en frielektronlaser, tillsammans med undulatorer som kan ge utsökt kontroll av röntgenstrålen.

Förutom att övervaka konstruktionen och leveransen av alla "hårda, " eller högre energi röntgenundulatorsegment som möjliggjorde den senaste milstolpen, Berkeley Lab ger också flera andra bidrag till LCLS-II-projektet.

Berkeley Lab har designat och övervakat konstruktionen och leveransen av undulatorerna för den "mjuka" röntgenstrållinjen med lägre energi; designad, byggd, och levererade injektorkällan med hög ljusstyrka som tillhandahåller elektronstrålen; och leder tillsammans utvecklingen av hårdvara och mjukvara för kontrollsystemet för lågnivåradiofrekvens (LLRF) som hjälper till att styra den supraledande acceleratorn som är en del av den mjuka röntgenlinjen. Och Berkeley Lab förutser en roll i uppgraderingsprojektet LCLS-II High Energy, vilket kommer att fördubbla elektronenergin hos den hårda röntgenacceleratorn.

Kraftfull och exakt

Under de senaste 18 månaderna, den ursprungliga LCLS-undulatorn togs bort och ersattes med två nya system som erbjuder dramatiska nya funktioner. Var och en av dessa undulatorlinjer innehåller tusentals permanentmagneter och sträcker sig över 100 meter; tillsammans skapar de magnetiska fält som är tiotusentals gånger starkare än jordens. Detta genererar krafter motsvarande ett par ton vikt samtidigt som strukturen som håller magneterna inom en hundradel av bredden på ett människohår bibehålls.

De nya hårda röntgenundulatorerna var prototyper av DOE:s Argonne National Laboratory, designad av Argonne och Berkeley labs, byggd av Berkeley Lab, och har installerats på SLAC under det senaste året. Mjuka och hårda röntgenstrålar kan undersöka olika provtyper och egenskaper. LCLS-II mjuk röntgenundulator, drivs av den supraledande acceleratorn, har ännu inte testats.

I dag, det hårda röntgensystemet visade sin prestanda i beredskap för de kommande experimentella kampanjerna. Forskare i SLAC Accelerator Control Room riktade elektronstrålen från den befintliga LCLS-acceleratorn genom samlingen av magneter i undulatorn.

Under loppet av bara några timmar, de producerade det första tecknet på röntgenstrålar, och justerade sedan konfigurationen exakt för att uppnå full röntgenlaserprestanda med de tillgängliga undulatorsegmenten. De flesta hårda röntgenundulatorsegmenten har installerats, och de återstående segmenten är planerade för leverans och installation under den kommande månaden.

"Att nå det första ljuset är en milstolpe som vi alla har sett fram emot, sade Henrik von der Lippe, Engineering Division Director på Berkeley Lab. "Denna milstolpe visar hur allt hårt arbete och samarbete har resulterat i en vetenskaplig anläggning som kommer att möjliggöra ny vetenskap."

Han lade till, "Berkeley Labs bidrag till designen och tillverkningen av hårdröntgenundulatorer använde vår erfarenhet från att tillhandahålla undulatorer till vetenskapsanläggningar och vår långvariga styrka inom mekanisk design. Det är givande att se frukterna från år av engagerade Engineering Division-team som levererar enheter som uppfyller alla förväntningar."

Thomas Schenkel, tillfällig chef för Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics Division, sa, "Detta är ett bra exempel på hur vår vetenskapliga grund och ingenjörsexpertis går samman." Han lade till, "Laboratoriet har decennier av erfarenhet av att designa och bygga några av sin tids mest avancerade undulatorer, och vi ser fram emot att fortsätta bidra till DOE:s forskningskomplex på detta sätt."

Den vetenskapliga effekten av de nya undulatorerna kommer att vara betydande. Ett stort framsteg är att separationen mellan magneterna kan ändras på begäran, vilket gör att våglängden på de utsända röntgenstrålarna kan ställas in för att matcha experimentens behov. Forskare kan använda detta för att fastställa beteendet hos utvalda atomer i en molekyl, vilket bland annat kommer att förbättra vår förmåga att spåra flöde och lagring av energi för avancerade solenergiapplikationer.

Den undulator som demonstrerades idag kommer att kunna fördubbla LCLS:s maximala röntgenenergi. Detta kommer att ge mycket högre precision insikter i hur material reagerar på extrem stress på atomnivå och i uppkomsten av nya kvantfenomen.

"Nudlen":En unik, utmanande undulatordesign

Den färdiga hårdröntgenundulatorn kommer att ha 32 segment. Varje segment väger 2,3 ton och är cirka 13 fot långt. Designen av de hårda röntgenundulatorsegmenten är unik eftersom den i huvudsak roterar den traditionella undulatordesignen 90 grader, vilket också innebar unika tekniska utmaningar.

För att passa in i undulatortunneln vid SLAC, undulatorsegmenten måste vara mycket tunnare än vanligt – Berkeley Labs ingenjörer kallade designen "nudlen". Denna design gjorde också stålstödet, eller starkback, som innehåller de många magneterna i varje unduluatorsegment som är mer utsatta för oönskad böjning på grund av de cirka 4 ton magnetiska krafter som de måste motstå.

Den unika, den roterade designen av undulatorerna krävde en uppsättning av cirka 150 fjädrar per undulatorsegment som kan justeras exakt för att hålla de hundratals magneterna i linje.

Men även små temperaturförändringar, och enkel bearbetning som att skruva på nya komponenter, ändrade stödstrukturerna för stark rygg utöver vad som var tillåtet – enheterna måste förbli raka till inom 10 miljondelar av en meter.

Så den tidiga designen av segmenten måste tänkas om helt, sa Matthaeus Leitner, Berkeley Labs ledande ingenjör för LCLS-II undulatorer.

"Länge hade vi inte riktigt en lösning, ", sa Leitner. "Vi måste i princip ändra varje enskild komponent av enheten. Detta var en laginsats av mycket skickliga ingenjörer och tekniker."

John Corlett, som har fungerat som Berkeley Labs seniorteamledare för LCLS-II-projektet och nu är Lab Project Management Officer, sa, "Detta var ett mycket utmanande maskintekniskt problem. Det var ett samarbete mellan SLAC, Berkeley, och Argonne labs som arbetar tillsammans. Vi höll ett antal workshops, och vi arbetade tillsammans för att lösa problem. Det är fantastiskt att vi lyckades göra detta på den mycket korta tidsram som projektet behövde."

Leitner lade till, "En stor styrka på Berkeley Lab är mängden tekniska resurser. Om ett problem dyker upp, vi kan genast lägga mycket resurser på att lösa ett problem. Vi skulle kunna lösa detta till synes oöverstigliga problem inom ett par månader. Det här var otroligt. Det var bara möjligt för att vi har storskaliga verktyg, precisionsmätanordningar, och utmärkt teknisk supportutrustning."

Det gjordes också en stor ansträngning från Berkeley Labs ingenjörer för att arbeta med och utbilda de tre leverantörerna som tillverkade och monterade undulatorerna. Berkeley Lab utnyttjade sin magnetiska design och mätmöjligheter, och utvecklade exakta metoder för att montera och effektivt trimma undulatorerna.

Den unikt roterade designen av de hårda röntgenundulatorerna kommer i slutändan att förbättra röntgenlaserns prestanda genom att leverera fler röntgenstrålar till prover i experiment, Leitner noterade. "Det ger dig en betydande ökning av den tillgängliga uteffekten från de hårda röntgenstrålarna, " han sa.

Leitner och Corlett sa att designen, känd som vertikal polarisering, kommer sannolikt att antas av andra röntgenfrielektronlasrar och ljuskällor nu när designutmaningarna för kapaciteten har utarbetats.

"Det här har aldrig gjorts förut, " sa Corlett.

Nästa steg

Bortom undulatorerna ligger frontendhöljet, eller AVGIFT, som innehåller en rad optik, diagnostik, och avstämningsanordningar som förbereder röntgenstrålarna för specifika experiment. Dessa inkluderar världens plattaste, slätaste speglar som är en meter långa men varierar i höjd med endast en atoms bredd över sin yta. Under de närmaste veckorna, denna optik kommer att testas som förberedelse för mer än 80 experiment som ska utföras av forskare från hela världen under de kommande sex månaderna.

"Idag markerar starten på LCLS-II-eran för röntgenvetenskap, sa Mike Dunne, LCLS direktör. "Vår omedelbara uppgift blir att använda den här nya undulatorn för att undersöka SARS-CoV-2-virusets inre funktion. Sedan kommer de kommande åren att se en fantastisk förvandling av vår anläggning. Nästa upp kommer den mjuka röntgenundulatorn , optimerad för att studera hur energi flödar mellan atomer och molekyler, och därmed den inre funktionen hos nya energitekniker. Utöver detta kommer den nya supraledande acceleratorn som kommer att öka vår röntgeneffekt med många tusen gånger."

Han lade till, "Framtiden är ljus, som vi gillar att säga i röntgenlaservärlden."