Med tillräckligt kraftfullt ljus, du kan se saker som folk en gång trodde skulle vara omöjliga. Storskaliga ljuskällor genererar det kraftfulla ljuset, och forskare använder det för att skapa mer hållbara material, bygga effektivare batterier och datorer, och lär dig mer om den naturliga världen.

När det gäller att bygga dessa enorma anläggningar, utrymme är pengar. Om du kan få högre energistrålar av ljus från mindre enheter, du kan spara miljoner på byggkostnader. Lägg till det chansen att avsevärt förbättra kapaciteten hos befintliga ljuskällor, och du har motivationen bakom ett projekt som har sammanfört forskare vid tre nationella laboratorier vid det amerikanska energidepartementet.

Detta team har precis uppnått en viktig milstolpe som har varit på gång i mer än 15 år:De har designat, byggt och färdigtestat en ny toppmodern halvmeterlång prototypmagnet som uppfyller kraven för användning i befintliga och framtida ljuskällor.

Nästa steg, enligt Efim Gluskin, en framstående stipendiat vid DOE:s Argonne National Laboratory, är att skala upp den här prototypen, bygga en som är mer än en meter lång, och installera den på Advanced Photon Source, en DOE Office of Science User Facility i Argonne. Men även om dessa magneter kommer att vara kompatibla med ljuskällor som APS, den verkliga investeringen här, han sa, är i nästa generation av anläggningar som ännu inte har byggts.

"Den verkliga omfattningen av denna teknik är för framtida frielektronlaseranläggningar, ", sa Gluskin. "Om du minskar storleken på enheten, du minskar storleken på tunneln, och om du kan göra det kan du spara tiotals miljoner dollar. Det gör en enorm skillnad."

Det långsiktiga målet förde Gluskin och hans Argonne-kollegor i samarbete med forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory och Fermi National Accelerator Laboratory, båda DOE-labben. Varje labb har bedrivit supraledande teknologi i decennier och har under de senaste åren fokuserat forsknings- och utvecklingsinsatser på en legering som kombinerar niob med tenn.

Detta material förblir i ett supraledande tillstånd – vilket betyder att det inte ger något motstånd mot strömmen som går genom det – även när det genererar höga magnetfält, vilket gör den perfekt för att bygga så kallade undulatormagneter. Ljuskällor som APS genererar strålar av fotoner (ljuspartiklar) genom att suga bort den energi som avges av elektroner när de cirkulerar inuti en lagringsring. Undulatormagneterna är enheterna som omvandlar den energin till ljus, och ju högre magnetfält du kan generera med dem, desto fler fotoner kan du skapa från enhet av samma storlek.

Det finns några supraledande undulatormagneter installerade vid APS nu, men de är gjorda av en niob-titaniumlegering, som i decennier har varit standarden. Enligt Sören Prestemon, senior forskare vid Berkeley Lab, superledare av niob-titan är bra för lägre magnetfält-de slutar att bli superledande vid cirka 10 teslas. (Det är ungefär 8, 000 gånger starkare än din typiska kylskåpsmagnet.)

"Niobium-3 tenn är mer komplicerat material, "Prestemon sa, "men den kan transportera ström vid ett högre fält. Den är supraledande upp till 23 tesla, och vid lägre fält kan den bära tre gånger strömmen som niob-titan. Dessa magneter hålls kalla vid 4,2 Kelvin, vilket är ungefär minus 450 grader Fahrenheit, för att hålla dem supraledande."

Prestemon har varit i framkant av Berkeleys forskningsprogram för niobium-3 tenn, som började redan på 1980-talet. Den nya designen, utvecklad på Argonne, byggt på Prestemons och hans kollegors tidigare arbete.

"Detta är den första niob-3-tennundulatorn som både har uppfyllt konstruktionsströmspecifikationerna och har testats helt i termer av magnetfältskvalitet för stråltransport, " han sa.

Fermilab började arbeta med detta material på 1990-talet, enligt Sasha Zlobin, som initierade och ledde niobium-3 tennmagnetprogrammet där. Fermilabs niob-3 tennprogram har fokuserat på supraledande magneter för partikelacceleratorer, som Large Hadron Collider vid CERN i Schweiz och den kommande linjäracceleratorn PIP-II, som ska byggas på Fermilab -webbplatsen.

"Vi har visat framgång med våra högfältsniob-3 tennmagneter, ", sade Zlobin. "Vi kan tillämpa den kunskapen på supraledande undulatorer baserade på denna supraledare."

En del av processen, enligt teamet, har lärt sig hur man undviker för tidiga släckningar i magneterna när de närmar sig önskad nivå av magnetfält. När magneterna förlorar sin förmåga att leda ström utan motstånd, den resulterande motreaktionen kallas en släckning, och det eliminerar magnetfältet och kan skada själva magneten.

Teamet rapporterade i Proceedings of the Applied Superconductivity Conference 2020 att deras nya enhet rymmer nästan dubbelt så mycket ström med ett högre magnetfält än niob-titan supraledande undulatorer som för närvarande finns på APS.

Projektet byggde på Argonnes erfarenhet av att bygga och driva supraledande undulatorer och Berkeley och Fermilabs kunskap om niob-3-tenn. Fermilab hjälpte till att styra processen, ge råd om val av supraledande tråd och dela med sig av den senaste utvecklingen inom deras teknologi. Berkeley designade ett toppmodernt system som använder avancerad beräkningsteknik för att upptäcka släckningar och skydda magneten.

På Argonne, prototypen designades, tillverkade, monterade och testade av en grupp ingenjörer och tekniker under ledning av projektledaren Ibrahim Kesgin, med bidrag i designen, konstruktion och testning av medlemmar i APS supraledande undulatorteam under ledning av Yury Ivanyushenkov.

Forskargruppen planerar att installera sin prototyp i full storlek, som ska vara klar nästa år, vid sektor 1 av APS, som använder sig av fotonstrålar med högre energi för att titta igenom tjockare materialprover. Detta kommer att vara en provningsgrund för enheten, som visar att den kan fungera enligt designspecifikationer i en fungerande ljuskälla. Men ögat, Gluskin säger, är på överföring av båda teknikerna, niob titan och niob-3 tenn, till industriella partners och tillverkning av dessa enheter för framtida högenergiljuskällor.

"Nyckeln har varit ett stadigt och ihärdigt arbete, med stöd av labben och DOE:s forsknings- och utvecklingsfonder, ", sa Gluskin. "Det har varit stegvisa framsteg, steg för steg, för att komma till denna punkt."