För att ge röntgenstrålar som är mycket ljusa och mycket tätt fokuserade, ett Argonne -team fick skapa ett nytt spegelsystem, linser och utrustning för den uppgraderade Advanced Photon Source.

I filmen "Aladdin, "Robin Williams uttryckte en enorm blå geni som bodde inuti en liten magisk lampa. Karaktären beskrev hans situation så här:" Fenomenal kosmisk kraft! Mycket vardagsrum! "

På ett sätt, det är utmaningen för teamet som utformar optiksystemet för uppgraderingen av Advanced Photon Source (APS), ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid DOE:s Argonne National Laboratory. När anläggningen kommer tillbaka online, för närvarande planerad till 2024, den uppgraderade APS kommer att leverera röntgenstrålar som är upp till 500 gånger ljusare än de som genereras vid den aktuella anläggningen. Det är optiklagets uppgift att ta reda på hur man fokuserar de intensiva strålarna ner till otroligt små storlekar.

Kortfattat, dessa fenomenalt ljusa strålar måste reduceras till mycket små fläckstorlekar, ofta mindre än en enda mikron, betyder mindre än bakterier eller blodkroppar. Forskare kommer att använda dessa tätt fokuserade, extremt ljusa strålar för att avslöja egenskaperna hos nya material för nya enheter, till exempel, eller för att hjälpa till att utveckla nästa generations läkemedel som kommer att förbättra vårt dagliga liv.

Ljuskällor som APS använder en kombination av speglar, komplexa enheter som kallas monokromatorer, och linser för att manipulera och fokusera röntgenstrålar på olika sätt. Dessa komponenter är alla installerade i experimentändstationer som kallas strållinjer som ligger runt APS. Forskare från hela världen använder dessa röntgenstrålar för vetenskaplig upptäckt. För att uppgradera denna maskin krävs ny teknik och nydesignade optiska komponenter som är mer exakta än de som används vid nuvarande APS.

"Alla strållinjer - inklusive nio nybyggda och 15 med betydande förbättringar - kommer att vara toppmoderna, och utformad för att göra något vi inte kunde göra tidigare, "sa Lahsen Assoufid, ledare för Optics Group i Argonne's X-ray Science Division (XSD). "Vi konstruerar helt ny optik för de nio nya strållinjerna. Det finns ingen befintlig optik som vi kan återanvända för dem."

Efter uppgraderingen, APS kommer att generera en röntgenkälla som är cirka 10 mikron vertikalt och 30 mikron horisontellt, mycket mindre än den som anläggningen levererar nu. Assoufid och hans team är ansvariga för att designa ett system som gör det möjligt för forskare att fokusera den mycket ljusa strålen ner till otroligt små storlekar. Systemet måste göra det samtidigt som röntgenens koherens bevaras. Samstämmighet är ljuskvaliteten som gör att den kan bära information när den studsar från ytor. När dessa uppgraderade röntgenstrålar diffrakterar från ett prov, de kommer att leverera mer information om det provet till detektorerna, vilket ger en mer detaljerad bild.

"Vi vill se till att en sammanhängande stråle bevaras, "Sa Assoufid." Jag tror att det är den största utmaningen. Vi vill att speglarna ska bevara strålkvaliteten i fokusoptiken. Vi vill ha allt detta sammanhängande ljus i en liten fläckstorlek, för att påskynda mättiden. "

Xianbo Shi är en fysiker med XSD, och han har designat flera av dessa nya system med hjälp av personalen vid varje stråle som han arbetar med. Totalt, han sa, APS -uppgraderingen kommer att kräva mer än 1, 700 linser och nästan 60 högpolerade speglar. Var och en av de optiska systemen var speciellt utformad för att kräva detaljer. Så krävande, faktiskt, att tekniken inte fanns för att designa dem effektivt - APS Upgrade -optikteamet fick utveckla sin egen programvara, förbättra den senaste tekniken, innan de kunde gå vidare.

"Vid varje steg, vi använder den bästa programvaran och utvecklar ovanpå den, "Sa Shi." Vi måste designa programvaran så att vi kan designa optiken. "

Speglarna som har designats, Shi sa, är de mest krävande toppmoderna i världen. Det finns bara ett par företag i världen som kan göra dem, han sa, för att för att bevara strålens kvaliteter, speglarna måste vara nästan helt släta. Detta går utöver traditionell mekanisk kemisk polering och till att ta bort atomer från deras ytor en efter en.

Faktiskt, Assoufid sa, det finns bara ett företag i världen som kan leverera den jämnhet som vissa av dessa speglar kräver. Ungefär 20 av de speglar som behövs för uppgraderingen kommer från detta företag, han sa. Det tar ungefär ett år att göra speglar som dessa, och om de inte klarar inspektion, företaget kommer att behöva börja om nästan från grunden.

Linserna behöver inte vara lika släta, Shi sa, men deras design och tillverkning är fortfarande extremt detaljerad. Linserna är konkava, vilket betyder att de kurvar inåt. Den kurvan måste skapas exakt för att utforma specifikationer så att de fokuserar strålen som avsett.

Optikteamet har också utvecklat teknik som använder artificiell intelligens för att tillåta att vissa strållinjer snabbt och exakt kan ändra strålens storlek, utan att forskarna behöver göra justeringar. ATOM, en av de nya funktionsstrålarna, är utformad för att sondera det strukturella, kemiska och fysikaliska egenskaper hos prover med oöverträffad precision. Ibland kommer det att kräva att forskare fokuserar strålens storlek i farten.

"Zoomspegeloptik betyder att den behöver två par fokuseringsspeglar, så att strålens storlek kan ändras vid provet, "Assoufid förklarade." Beamline -forskare har inte tid att rikta in speglarna, så det måste göras automatiskt. Om de vill fokusera strålen på en plats, och sedan ändra storlek, de kan avbilda sitt prov i olika skalor. "

Speglarna och linserna som behövs för APS-uppgraderingen är så exakta att vissa av dem bara kan testas i en faktisk röntgenstråle. När de anländer till labbet från företagen som tillverkar dem, teamet kommer att verifiera dem på Sektor 1 i APS samt utföra den traditionella optiska metrologin. Varje spegel tar upp till en vecka eller mer att testa, och teamet fick utveckla nya verktyg och teknik för att göra detta. De har också skapat nya diagnossystem för var och en av strållinjerna, mäta det som tidigare inte kunde mätas.

"Strålkvaliteten är viktig, så vi behöver ett sätt att mäta det, "Sa Shi." Så vi ägnade en del ansträngningar åt att utveckla en ny vågfrontsteknologi. Det förbättrar den senaste tekniken. Vi kan övervaka strållinjen när vi byter optik och samla in information för att kontrollera den optiken. "

De nya speglarna, linser och annan utrustning kommer att installeras under ettårsperioden när APS stängs för uppgraderingskonstruktion. Installationsperioden är planerad att börja i april 2023. När det nya optiksystemet är klart, Assoufid sa, effekten blir som att ge APS ett nytt glasögon. Det som en gång var suddigt och svårt att se kommer nu att fokusera.

"Jag kommer att bli glad när vi ser första ljuset, "sa han." Vi har gjort stora framsteg, men det är mycket jobb att göra. Jag är glad, men jag kommer att vara helt nöjd när allt är klart. "