Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e do Laboratório Nacional de Argonne colaboraram para projetar, construir e testar dois dispositivos que utilizam diferentes materiais supercondutores e podem tornar os lasers de raios-X mais poderosos, versátil, compacto e durável.

Esses dispositivos protótipos, chamados onduladores supercondutores (SCUs), produziu com sucesso campos magnéticos mais fortes do que onduladores magnéticos permanentes convencionais do mesmo tamanho. Esses campos, por sua vez, pode produzir luz laser de alta energia para abrir uma gama mais ampla de experimentos.

Vários lasers de raios-X de grande escala estão em funcionamento ao redor do globo para permitir que os cientistas investiguem as propriedades da matéria em escalas cada vez menores e mais rápidas, e onduladores supercondutores são considerados uma das tecnologias mais capacitadoras para a próxima geração desses e de outros tipos de fontes de luz.

Essas fontes de luz são ferramentas poderosas para estudar a estrutura microscópica e outras propriedades das amostras, como proteínas que são essenciais para o design de medicamentos, materiais exóticos relevantes para aplicações eletrônicas e de energia, e a química que é fundamental para os processos industriais, como a produção de combustível.

O esforço de desenvolvimento recente foi motivado pela atualização do SLAC National Accelerator Laboratory de sua Linac Coherent Light Source (LCLS), que é o único laser de elétrons livres de raios-X (FEL) do país. O novo projeto, agora em andamento, é conhecido como LCLS-II.

Os FELs de raios-X agora usam onduladores magnéticos permanentes para produzir luz de raios-X movendo feixes de elétrons de alta energia em campos magnéticos alternados produzidos por uma sequência de ímãs permanentes.

Mas pela primeira vez, Os cientistas da Argonne demonstraram que um ondulador supercondutor pode ser usado como um amplificador de laser de elétrons livres para os FELs de raios-X contemporâneos.

A equipe da Fonte Avançada de Fótons (APS) do Departamento de Energia em Argonne construiu e testou com sucesso um protótipo de ímã SCU de 1,5 metro projetado para atender aos requisitos do ondulador FEL. Esta SCU utiliza fio supercondutor de nióbio-titânio para enrolar suas bobinas magnéticas.

Essa conquista significativa pode abrir caminho para a expansão da faixa de energia dos raios X nas fontes de luz existentes sem aumentar a energia do feixe de elétrons. Este é um ponto importante porque o custo de construção de instalações de luz é definido principalmente pela energia do feixe de elétrons, disse Efim Gluskin, um Argonne Distinguished Fellow e um físico e líder de grupo interino do Magnetic Devices Group na Divisão de Sistemas Aceleradores da APS.

Gluskin disse que a SCU baseada em titânio e nióbio foi projetada para atender a todos os requisitos técnicos desafiadores aplicados ao ondulador FEL de raios-X, incluindo qualidade de campo de alta precisão e consistência ao longo de todo o ímã. Na verdade, foi provado experimentalmente que este dispositivo atendeu a todos esses requisitos. A equipe APS SCU usou sistemas criogênicos desenvolvidos internamente e técnicas de medição magnética para validar o desempenho do SCU.

"O principal desafio é manter o movimento consistente de movimento dos elétrons dentro de uma SCU, "disse Gluskin, acrescentando que o intervalo de desvio aceito da linha reta do movimento do feixe ao longo da distância de vários metros é de apenas alguns mícrons. Para comparação, um cabelo humano médio tem 100 mícrons de largura.

"Isso leva a requisitos muito rigorosos sobre a qualidade do campo magnético gerado por ímãs SCU, "Disse Gluskin.

Paul Emma do SLAC, o líder de física do acelerador para o projeto de atualização do LCLS-II coordenou o esforço de desenvolvimento do ondulador supercondutor.

"Com onduladores supercondutores, "Emma disse, "você não necessariamente reduz o custo, mas obtém melhor desempenho para o mesmo trecho de ondulador."

Um ondulador supercondutor equivalente em comprimento a um ondulador magnético permanente poderia produzir luz que é pelo menos duas a três vezes e talvez até 10 vezes mais poderosa, e também poderia acessar uma gama mais ampla de comprimentos de onda de raios-X, Emma disse. Isso produz um FEL mais eficiente.

Onduladores supercondutores não têm partes móveis macroscópicas, para que eles pudessem ser ajustados mais rapidamente com alta precisão. Supercondutores também são muito menos sujeitos a danos por radiação de alta intensidade do que materiais de ímã permanente, um problema significativo em aceleradores de alta potência, como aqueles que serão instalados para LCLS-II.

Parece haver um caminho claro para o desenvolvimento de onduladores supercondutores para atualizações de lasers de elétrons livres de raios-X novos e existentes, Emma disse, e para outros tipos de fontes de luz.

"Onduladores supercondutores serão a tecnologia para a qual iremos eventualmente, seja nos próximos 10 ou 20 anos, "disse ele." Eles são poderosos o suficiente para produzir a luz de que vamos precisar - acho que vai acontecer. As pessoas sabem que é um passo grande o suficiente, e temos que chegar lá. "

Nesse caso, a equipe APS desenvolveu a tecnologia de construção SCU para entregar um dispositivo pronto para uso direto da bancada de montagem.

"A equipe SCU encontrou soluções exclusivas para tornar este desempenho do ondulador dentro das especificações estritas do sistema do ondulador LCLS, "disse Yury Ivanyushenkov, um físico da Divisão de Sistemas do Acelerador Argonne. "Ao longo dos anos, a equipe SCU reuniu um conjunto robusto de etapas e processos tecnológicos para projetar e construir onduladores supercondutores de última geração que operam com sucesso no APS. O sucesso deste projeto é o resultado direto dos sistemas e instalações existentes na APS. "

Geoffrey Pile, Diretor Associado da Divisão da Divisão de Suporte de Engenharia APS em Argonne e ex-diretor do projeto do ondulador APS LCLS-I, disse que a APS tem uma longa história e experiência no projeto e construção de onduladores para a APS e outros laboratórios nacionais.

Um dos projetos da Argonne foi o design e a construção do sistema ondulador LCLS-I - 440 pés de componentes técnicos sofisticados que incorporaram 33 onduladores de última geração. A instalação LCLS-I no SLAC National Accelerator Laboratory já está operando com sucesso por mais de sete anos.

Além disso, Cientistas e engenheiros da APS recentemente projetaram e construíram um novo e revolucionário protótipo de ondulador de polarização vertical com fenda horizontal para o projeto LCLS-II. Foi adotado e incorporado ao projeto final do LCLS-II, e 32 unidades de produção serão construídas para SLAC pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e parceiros industriais.

"Nas últimas décadas, a equipe de engenharia da APS vem construindo onduladores para uso em Argonne e em todo o país, e a SCU pode ser o projeto mais desafiador até agora, "Disse Pile." Isso fez com que a tecnologia avançasse aos trancos e barrancos e destaca a experiência em todo o APS. Mais importante, muitos parceiros industriais, pessoas em Argonne, e nossos colaboradores no SLAC e Berkeley contribuíram para o sucesso deste projeto e merecem crédito. "

Gluskin concordou:"O desenvolvimento deste protótipo é o culminar de mais de uma década de compromissos da Argonne com a nova e inovadora tecnologia SCU que beneficiará todas as fontes de luz DOE."