Uma área conhecida por dispositivos de alta tecnologia e inovação em breve será o lar de um laser de raios-X supercondutor avançado que se estende por 3 milhas de comprimento, construído por uma colaboração de laboratórios nacionais. Em 19 de janeiro, a primeira seção do novo acelerador da máquina chegou de caminhão ao SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park após uma jornada cross-country que começou na Batávia, Illinois, no Fermi National Accelerator Laboratory.

Essas seções de 12 metros de comprimento, chamados criomódulos, são blocos de construção para uma grande atualização chamada LCLS-II que vai amplificar o desempenho do laser de elétrons livres de raios-X do laboratório, a fonte de luz coerente Linac (LCLS).

"Foram necessários anos de esforço de grandes equipes de engenheiros e cientistas dos Estados Unidos e de todo o mundo para tornar realidade a chegada do primeiro criomódulo ao SLAC, "diz John Galayda, Diretor de projeto do SLAC para LCLS-II. "E isso marca um passo importante à medida que construímos esta máquina inovadora."

Dentro dos criomódulos, cadeias de cavidades superfrias de nióbio serão preenchidas com campos elétricos que aceleram os elétrons até quase a velocidade da luz. Esta tecnologia supercondutora permitirá que o LCLS-II dispare raios-X que são, na média, 10, 000 vezes mais brilhante que o LCLS em pulsos que chegam a um milhão de vezes por segundo.

Com esses novos recursos, cientistas têm objetivos de pesquisa ambiciosos:examinar os detalhes de materiais complexos com resolução incomparável, revelam eventos químicos raros e transitórios, estudar como as moléculas biológicas desempenham as funções da vida, e perscrutar o estranho mundo da mecânica quântica medindo diretamente os movimentos internos de átomos e moléculas individuais.

O Fermi National Accelerator Laboratory está construindo metade dos criomódulos para a atualização do laser LCLS-II, e Thomas Jefferson National Accelerator Facility em Newport News, Virgínia, vai construir a outra metade. Fermilab, Jefferson Lab e SLAC são laboratórios do Office of Science do Departamento de Energia (DOE).

Depois de construir os criomódulos, O Fermilab e o Jefferson Lab estão testando cada um exaustivamente antes de os navios serem embalados e despachados por caminhão. Sua nova casa na Califórnia será o túnel anteriormente ocupado por uma seção do acelerador de 2 milhas de comprimento do SLAC, localizado a 30 pés abaixo do solo. Em homenagem ao seu destino na Bay Area, os cromódulos são pintados de "laranja internacional" para combinar com a ponte Golden Gate.

Um Sistema de Refrigeração Super-Cool

Os engenheiros da SLAC e seus parceiros estão construindo um refrigerador de criogenia - uma poderosa planta de resfriamento que conterá os compressores, bombas e hélio necessários para manter o acelerador a 2 graus Celsius acima do zero absoluto (ou menos 456 graus Fahrenheit), aproximadamente a mesma temperatura do espaço sideral.

Nessas baixas temperaturas, o acelerador se torna o que é conhecido como supercondutor, capaz de elevar os elétrons a altas energias com perda mínima de energia à medida que viajam pelas cavidades. No momento em que os elétrons passam por todos os 37 criomódulos, eles viajarão quase à velocidade da luz.

Uma vez que os elétrons alcançam tais velocidades altas, eles passam por uma série de ímãs fortes, chamados onduladores, que rebate o feixe de elétrons para frente e para trás para gerar um feixe de laser de raios-X que é muito mais brilhante do que o LCLS atual, passando de 120 pulsos por segundo para 1 milhão de pulsos por segundo - muito além de qualquer outra instalação no mundo.

Como funciona um acelerador supercondutor

Os segmentos do novo acelerador do SLAC contam com o que se chama de tecnologia de radiofrequência supercondutora. A energia de micro-ondas gerada acima do solo é alimentada por tubos chamados guias de onda para os cromódulos subterrâneos. Lá, as microondas alimentam um campo elétrico oscilante que ressoa dentro das cavidades de nióbio e, eventualmente, aumenta sua força para uma voltagem muito alta.

Quando a voltagem oscilante em cada cavidade é sincronizada ao ritmo dos feixes de elétrons que passam pelas cavidades, os elétrons recebem um impulso de energia e aceleram.

"Se um diapasão - outro tipo de ressonador - tivesse a mesma qualidade de desempenho de uma dessas cavidades supercondutoras, tocaria por mais de um ano, "diz Marc Ross, um físico acelerador SLAC que está liderando o desenvolvimento dos criomódulos. "A supercondutividade permite que as cavidades acelerem os elétrons de forma constante, onda contínua sem interrupção, e com eficiência extremamente alta. "

O elemento nióbio é um material comum para supercondutores, e as cavidades são feitas com uma versão extremamente pura para minimizar qualquer perda elétrica. Oito cavidades de nióbio são aparafusadas em uma corda dentro de cada criomódulo. Eles são montados como "um navio em uma garrafa, "Ross diz. As cavidades são cercadas por três camadas aninhadas de equipamentos de resfriamento, com cada camada sucessiva baixando a temperatura até atingir quase o zero absoluto.

A próxima geração de lasers de raio-x

O sistema que mantém as cavidades frias tem sido usado para resfriar ímãs que direcionam as partículas em colisões, incluindo o Grande Colisor de Hádrons da Organização Européia para Pesquisa Nuclear (CERN) e o Tevatron do Fermilab.

Os criomódulos com cavidades de radiofrequência supercondutoras aceleram os elétrons que geram raios-X no recém-inaugurado European X-ray Free-Electron Laser. Os engenheiros do Fermilab e do Jefferson Lab ajustaram o projeto desses criomódulos para adaptar o equipamento ao LCLS-II. Eles também melhoraram muito a qualidade das cavidades por meio de uma técnica chamada dopagem de nitrogênio, que produz cavidades que geram menos calor nas temperaturas mais frias. Esses ajustes reduzem a perda de energia e tornam possível um laser muito mais brilhante. LCLS-II será a primeira implementação em grande escala desses últimos avanços técnicos.

Para LCLS-II, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, com contribuições significativas de design do Argonne National Laboratory, também criou um novo "canhão de elétrons" avançado para injetar elétrons no acelerador e onduladores especializados para gerar os raios-X.

Novas possibilidades científicas

Com pulsos mais frequentes, o laser atualizado permitirá que os cientistas coletem mais dados em menos tempo. Isso aumenta o número de experimentos que podem ser realizados e permite novos tipos de estudos que antes eram inconcebíveis.

"No espaço de apenas algumas horas, O LCLS-II será capaz de produzir mais pulsos de raios-X do que o laser atual entregou em todas as suas operações até o momento, "diz Mike Dunne, diretor do LCLS. "Dados que atualmente levariam um mês para serem coletados poderiam ser produzidos em poucos minutos."

Pulsos mais frequentes também aumentam a chance de os cientistas poderem, por exemplo, observe eventos raros que acontecem durante reações químicas ou em moléculas biológicas delicadas em seus ambientes naturais. O acelerador supercondutor em construção funcionará em paralelo com o original. Os dois feixes de laser abrirão novos tipos de estudos do mundo quântico, informando o desenvolvimento de materiais com características inéditas.

Os 36 criomódulos restantes devem chegar ao SLAC nos próximos 18 meses. A construção do LCLS-II começou no ano passado. A facilidade do usuário DOE será aberta a pesquisadores de todo o mundo com as melhores ideias para experimentos no início de 2020.

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Antes e agora

O SLAC tem um histórico de assumir grandes projetos desde o nascimento do laboratório, há mais de cinco décadas. "Projeto M" (para "Monstro"), a construção de um acelerador de partículas que se estende por 2 milhas de comprimento, permitiu que os cientistas estudassem os blocos de construção do universo. Este acelerador linear foi o mais longo já construído.

Em 2009, o laboratório reaproveitou um terço do acelerador de cobre original da década de 1960 para alimentar um feixe de elétrons em LCLS, o primeiro laser desse tipo que produz pulsos rápidos de raios-X "duros" ou de alta energia para experimentos de imagem inovadores. Outro terço do linac de cobre original foi agora limpo para dar espaço para a chegada dos novos criomódulos supercondutores.