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Dec 20, 2023

Elektronen bewegen sich jetzt durch den supraleitenden Beschleuniger, der SLACs X antreiben wird

Die Anlage ist nun nur noch wenige Schritte davon entfernt, einen beispiellosen Strom ultraheller Röntgenstrahlung freizusetzen. Von David Krause Nach mehr als einem Jahrzehnt Arbeit fliegen Elektronen nun durch ein neues Supraleitermaterial

Die Anlage ist nun nur noch wenige Schritte davon entfernt, einen beispiellosen Strom ultraheller Röntgenstrahlung freizusetzen.

Von David Krause

Nach mehr als einem Jahrzehnt Arbeit fliegen Elektronen nun durch einen neuen supraleitenden Beschleuniger im SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und bereiten sich darauf vor, den weltweit leistungsstärksten Röntgenlaser für freie Elektronen anzutreiben. Dieses Projekt mit dem Namen Linac Coherent Light Source II (LCLS-II) ist nun nur noch wenige Schritte von der Freisetzung von Röntgenblitzen entfernt, die eine neue Ära in der wissenschaftlichen Forschung auf atomarer Ebene einläuten werden.

„Zu sehen, wie Elektronen den gesamten Weg durch das LCLS-II schaffen, ist ein Beweis dafür, dass unsere Idee, die Quelle für ein extrem leistungsstarkes supraleitendes Röntgengerät am SLAC zu schaffen, funktionieren wird“, sagt Dan Gonnella, leitender Wissenschaftler am SLAC und Gruppenleiter in der Beschleunigerdirektion, sagte. „Wir waren von unserer Arbeit überzeugt, aber bis man sieht, dass die ersten Elektronen tatsächlich durchkommen, spürt man die Schmetterlinge.“

Um Elektronen durch die Anlage zu schicken, arbeiteten Teams aus vier nationalen Labors – Argonne, Berkeley Lab, Fermilab und Jefferson Lab – und der Cornell University fast zehn Jahre lang zusammen, um alle Komponenten der nächsten Generation der Anlage zu bauen. Im Jahr 2019 installierten die Teams eine hochmoderne Elektronenkanone, und letztes Jahr schalteten die Teams eine Heliumkühlanlage ein, die die Temperatur der Anlage auf zwei Kelvin senkt – kälter als im Weltraum.

LCLS-II wird Röntgenstrahlen erzeugen, die 10.000-mal heller sind als die der bestehenden Freie-Elektronen-Laseranlage LCLS des SLAC – ein historisches Upgrade, das bisher unvorstellbare Einblicke in einige der drängendsten wissenschaftlichen Fragen unserer Zeit eröffnen wird. Die Anlage wird eine Million Röntgenblitze pro Sekunde aussenden, weit mehr als die derzeitige Rate von LCLS mit 120 Blitzen pro Sekunde. Die helleren und schnelleren Ausbrüche von Röntgenstrahlen werden es Wissenschaftlern ermöglichen, Herausforderungen anzugehen, etwa zu verstehen, wie natürliche Lösungen zur Gewinnung von Sonnenenergie für eine neue Generation sauberer Kraftstoffe angepasst werden können, nachhaltige Herstellungsmethoden für die Industrie zu erfinden und eine neue Generation von Medikamenten zu entwickeln basierend auf der Fähigkeit, molekulare Filme darüber zu erstellen, wie unser Körper auf Krankheiten reagiert.

„Mit dem neuen supraleitenden Beschleuniger beantworten wir nicht nur ein paar Fragen, wir lassen Wissenschaftler eine unglaubliche Anzahl von Fragen beantworten“, sagte Andy Benwell, Leiter Elektroniktechnik bei SLAC.

Niob hilft den Elektronen beim Fliegen

Die extrem niedrige Betriebstemperatur von LCLS-II ermöglicht einen hocheffizienten Betrieb der Anlage und eine nahezu widerstandsfreie Stromleitung. Für den Bau eines Beschleunigers mit einem Widerstand nahe Null sind jedoch spezielle Materialien erforderlich, darunter Niob, ein Seltenerdmetall, das in anderen Maschinentypen wie Windkraftanlagen und Düsentriebwerken verwendet wird.

Für LCLS-II beschleunigt eine Reihe heller, sanduhrförmiger Niobhohlräume Elektronen in den 37 Kryomodulen der Anlage. Jedes Kryomodul verfügt über acht Niob-Hohlräume, was bedeutet, dass LCLS-II fast 300 Hohlräume hat – genug, um die Länge von etwa drei Fußballfeldern auszudehnen. Die Niob-Hohlräume beschleunigen die Elektronen, bis sie fast mit Lichtgeschwindigkeit in Richtung der Undulatorhalle fliegen, wo sie eine exquisit abgestimmte Reihe von Magneten passieren, die sie dazu zwingen, eine Zickzackbahn zu durchlaufen und Energie in Form von Röntgenstrahlen abzugeben. Diese Röntgenstrahlen werden dann an eine Reihe spezieller Instrumente weitergeleitet, damit Forscher Experimente durchführen können.

Die Hohlräume ermöglichen es LCLS-II, einen beispiellosen Impulsstrom zu liefern, der es Forschern ermöglicht, detaillierte Filme von Prozessen in der Natur in atomarer Größe aufzunehmen. Diese Filme werden eine viel höhere Auflösung haben als die am LCLS aufgenommenen Bilder – bis zu 8.000 Mal mehr Bilder pro Sekunde als die des vorhandenen Beschleunigers.

„Die Verfolgung der Bewegung von Atomen und Molekülen in Echtzeitfilmen wird der Röntgenwissenschaft neue Grenzen eröffnen und bahnbrechend für Experimente auf der ganzen Welt sein“, sagte Gonnella.

Ein Jahrzehnt lang Staub vermeiden

Nichts beeinträchtigt die Beschleunigerleistung so stark wie Staub. Selbst kleinste Staubmengen können die Leistung der supraleitenden Hohlräume zerstören. Wenn außerdem Staub in den Injektor des Beschleunigers gelangt, wird der Weg der Elektronen weniger kontrollierbar und es entsteht ein „dunkler Strom“, der zu zufälligen, unerwünschten Röntgenstrahlen führen kann. Zu viel Dunkelstrom im Inneren eines Beschleunigers kann dessen Undulatormagnete zerstören.

„Es gab sicherlich Möglichkeiten für Staubpartikel, in unseren neuen supraleitenden Beschleuniger einzudringen“, sagte John Schmerge, Direktor der Beschleunigerdirektion des SLAC. „Jahre bevor wir sie hier installierten, bauten die Teams die Niob-Hohlräume in Anlagen, die 1.800 oder 3.000 Meilen vom SLAC entfernt sind. Die Hohlräume mögen damals sauber und funktionstüchtig gewesen sein, aber dann muss man sie einpacken und per LKW quer durchs Land transportieren. Während der Brandsaison in Kalifornien mussten wir dann die Kryomodule in unserem Tunnel installieren und zusammenschweißen – was alles zu Staub führen kann.“

Der supraleitende Teilchenbeschleuniger des SLAC wird Elektronen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen nutzen. Aber warum Elektronen? Warum nicht ein anderes Teilchen wie Protonen?

Die Antwort ist, wie sich herausstellt, ziemlich einfach. Erstens sind Elektronen leichter als andere übliche Beschleunigerteilchen wie Protonen. Da sie leichter sind, lassen sie sich leichter auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, was die Anlage effizienter macht und den Forschern hilft, die Art von schnellen, hellen Röntgenstrahlen zu erzeugen, die sie für ihre Experimente am SLAC benötigen.

Zweitens sind Elektronen einfacher herzustellen als einige andere Arten von Teilchen. Um den Elektronenlaserstrahl des LCLS-II zu starten, muss eine Elektronenkanone Elektronen aus den Atomen herausschlagen, daher der Name X-ray Free-Electron Laser (XFEL). Da Elektronen leichter und leichter aus Atomen herauszuschlagen sind als andere Teilchen, wählen Wissenschaftler sie als bevorzugte Teilchen für Röntgenlaserexperimente.

Eine gewisse Staubmenge zu vermeiden, sei nahezu unmöglich, sagte Schmerge. In den meisten Arbeitsumgebungen gibt es Staub: Jedes Mal, wenn Sie zwei Oberflächen aneinander reiben, entstehen Hunderttausende Partikel. Daher mussten alle Montagearbeiten sehr, sehr langsam und in einer gut kontrollierten Umgebung durchgeführt werden.

Glücklicherweise haben die Menschen, die jahrelang unermüdlich am supraleitenden Beschleuniger gearbeitet haben, phänomenale Arbeit geleistet, sagte Schmerge. Sie hätten alle Anstrengungen unternommen, um eine saubere, supraleitende Maschine von Weltklasse herzustellen, sagte er. Das beweist die neue Anlage: Die Leistung ist genauso gut wie bei der ersten Herstellung der Kavitäten in Partnerlaboren. Dadurch konnte SLAC den Meilenstein erreichen und die Elektronen auf eine Energie von 3,5 Milliarden Elektronenvolt beschleunigen – oder über 99,9999992 % der Lichtgeschwindigkeit.

Der Weg zum ersten Licht

Elektronen fliegen jetzt durch den Beschleuniger. Ist LCLS-II also bereit für Experimente? Nicht ganz.

Im kommenden Monat wird sich das Team auf die Verbesserung der Qualität des Elektronenstrahls konzentrieren, der zur Erzeugung von Röntgenstrahlen in die magnetischen Undulatoren geleitet werden kann. Ohne einen qualitativ hochwertigen Strahl könnten Sie möglicherweise nicht die Experimente durchführen, die Sie erwartet hatten, sagte Schmerge. Es wäre, als würde man versuchen, nachts im Wald eine Taschenlampe zu benutzen. Wenn Sie die Taschenlampe zum ersten Mal einschalten, sehen Sie möglicherweise nur drei bis sechs Meter vor sich. Wenn Sie jedoch beginnen, den Strahl der Taschenlampe durch Anpassen der Linse zu fokussieren, können Sie tiefer in den Wald hineinsehen, da sich das Licht weiter ausbreitet, bevor es sich ausbreitet und zerstreut.

„Wenn man einen schönen, engen Elektronenstrahl hat, erhält man eine bessere Röntgenproduktion“, sagte Schmerge. „Wenn der Elektronenstrahl hingegen vollständig ausgebreitet ist, erhält man am Ende des Tunnels nicht sehr viele Photonen.“

Obwohl bis zur Erzeugung von Röntgenstrahlen noch viel zu tun ist, verspürt das Team ein großes Erfolgserlebnis, fügte SLAC-Wissenschaftler Axel Brachman hinzu.

„Die Erzeugung eines hochenergetischen Elektronenstrahls gibt uns das Gefühl, dass alles so funktioniert, wie wir es uns erhofft hatten“, sagte Brachman. „Der starke Strahl ist ein Lichtblick am Ende des langen Tunnels unseres Projekts.“

SLAC ist ein dynamisches Multiprogrammlabor, das erforscht, wie das Universum im größten, kleinsten und schnellsten Maßstab funktioniert, und leistungsstarke Werkzeuge erfindet, die von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt verwendet werden. Mit unserer Forschung in den Bereichen Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie, Materialien, Chemie, Bio- und Energiewissenschaften sowie wissenschaftliches Rechnen tragen wir dazu bei, reale Probleme zu lösen und die Interessen der Nation voranzutreiben.

SLAC wird von der Stanford University für das Office of Science des US-Energieministeriums betrieben. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit.

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