Há pouco mais de uma década, em abril de 2009, o primeiro laser de elétrons livres de raios-X (XFEL) rígido do mundo produziu sua primeira luz no Laboratório Nacional de Acelerador SLAC do Departamento de Energia dos EUA. O Linac Coherent Light Source (LCLS) gerou pulsos de raios-X um bilhão de vezes mais brilhantes do que qualquer coisa que veio antes. Desde então, seu desempenho permitiu novos insights fundamentais em uma série de campos científicos, desde a criação de "filmes moleculares" da química em ação até o estudo da estrutura e do movimento das proteínas para as novas gerações de produtos farmacêuticos e a replicação dos processos que criam a "chuva de diamantes" em planetas gigantes em nosso sistema solar.

O próximo grande passo neste campo foi posto em marcha em 2013, lançando o projeto de atualização LCLS-II para aumentar a potência do laser de raios-X em milhares de vezes, produzindo um milhão de pulsos por segundo em comparação com 120 por segundo hoje. Esta atualização deve ser concluída nos próximos dois anos, e o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab) está entre um grupo de colaboradores que fizeram contribuições importantes.

Hoje, a primeira fase da atualização entrou em operação, produzindo um feixe de raios-X pela primeira vez usando um elemento crítico do equipamento recém-instalado.

"O projeto LCLS-II representa o esforço combinado de cinco laboratórios nacionais de todos os Estados Unidos, junto com muitos colegas da comunidade universitária e DOE, "disse Chi-Chang Kao, diretor do SLAC. "O sucesso de hoje reflete o enorme valor das parcerias e colaboração contínuas que nos permitem construir ferramentas e capacidades líderes mundiais exclusivas."

Os XFELs funcionam em um processo de duas etapas. Primeiro, eles aceleram um poderoso feixe de elétrons quase à velocidade da luz. Eles então passam este feixe através de uma série de ímãs primorosamente sintonizados dentro de um dispositivo conhecido como um ondulador, que converte a energia do elétron em intensas explosões de raios-X. As explosões duram apenas milionésimos de um bilionésimo de segundo - tão curtas que podem capturar o nascimento de uma ligação química e produzir imagens com resolução atômica.

O projeto LCLS-II irá transformar ambos os elementos da instalação, instalando um acelerador totalmente novo que usa tecnologia supercondutora criogênica para atingir a taxa de repetição sem precedentes em um laser de elétrons livres, junto com onduladores que podem fornecer controle requintado do feixe de raios-X.

Além de supervisionar a construção e entrega de todos os "hard, "ou segmentos onduladores de raios-X de alta energia que possibilitaram o marco mais recente, O Berkeley Lab também está fazendo várias outras contribuições ao projeto LCLS-II.

O Berkeley Lab projetou e supervisionou a construção e distribuição dos onduladores para a linha de luz de raios X "suave" de baixa energia; projetado, construído, e entregou a fonte injetora de alto brilho que fornece o feixe de elétrons; e está liderando colaborativamente o desenvolvimento de hardware e software para o sistema de controle de radiofrequência de baixo nível (LLRF) que ajuda a controlar o acelerador supercondutor que faz parte da linha de raios-X suave. E o Berkeley Lab prevê um papel no projeto de atualização de alta energia LCLS-II, que irá dobrar a energia do elétron do acelerador de raios-X rígido.

Poderoso e preciso

Nos últimos 18 meses, o ondulador LCLS original foi removido e substituído por dois novos sistemas que oferecem novos recursos dramáticos. Cada uma dessas linhas ondulatórias contém milhares de ímãs permanentes e se estende por 100 metros; juntos, eles criam campos magnéticos que são dezenas de milhares de vezes mais fortes do que os da Terra. Isso gera forças equivalentes a algumas toneladas de peso, enquanto mantém a rigidez da estrutura que mantém os ímãs a um centésimo da largura de um cabelo humano.

Os novos onduladores de raios-X duros foram prototipados pelo Laboratório Nacional de Argonne do DOE, projetado pelos laboratórios Argonne e Berkeley, construído por Berkeley Lab, e foram instalados no SLAC no ano passado. Os raios X suaves e duros podem sondar diferentes tipos e propriedades de amostra. O ondulador de raios-X suave LCLS-II, conduzido pelo acelerador supercondutor, ainda não foi testado.

Hoje, o sistema de raio-X rígido demonstrou seu desempenho em prontidão para as campanhas experimentais que se seguiram. Cientistas da Sala de Controle do Acelerador SLAC direcionaram o feixe de elétrons do acelerador LCLS existente através da matriz de ímãs no ondulador.

Ao longo de apenas algumas horas, eles produziram o primeiro sinal de raios-X, e, em seguida, ajustou com precisão a configuração para obter desempenho total do laser de raios-X com os segmentos ondulatórios disponíveis. A maioria dos segmentos onduladores de raios-X rígidos foram instalados, e os demais segmentos estão programados para entrega e instalação no próximo mês.

"Alcançar a primeira luz é um marco que todos esperávamos, "disse Henrik von der Lippe, Diretor da Divisão de Engenharia do Berkeley Lab. "Este marco mostra como todo o trabalho árduo e colaboração resultou em uma instalação científica que permitirá novas ciências."

Ele adicionou, "A contribuição do Berkeley Lab no design e fabricação de onduladores de raios-X duros usou nossa experiência de fornecimento de onduladores para instalações científicas e nossa força de longa data em design mecânico. É gratificante ver os frutos de anos de equipes dedicadas da Divisão de Engenharia entregando dispositivos que atendem a todos expectativas. "

Thomas Schenkel, diretor interino da Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada do Berkeley Lab, disse, "Este é um ótimo exemplo de como nossa base científica e nossa experiência em engenharia se unem." Ele adicionou, "O laboratório tem décadas de experiência no projeto e na construção de alguns dos onduladores mais avançados de sua época, e esperamos continuar a contribuir para o complexo de pesquisa do DOE dessa forma. "

O impacto científico dos novos onduladores será significativo. Um grande avanço é que a separação entre os ímãs pode ser alterada sob demanda, permitindo que o comprimento de onda dos raios X emitidos seja ajustado para atender às necessidades dos experimentos. Os pesquisadores podem usar isso para identificar o comportamento de átomos selecionados em uma molécula, o que, entre outras coisas, aumentará nossa capacidade de rastrear o fluxo e o armazenamento de energia para aplicações avançadas de energia solar.

O ondulador demonstrado hoje será capaz de dobrar a energia de raio-X de pico do LCLS. Isso fornecerá percepções de precisão muito mais alta sobre como os materiais respondem ao estresse extremo no nível atômico e sobre o surgimento de novos fenômenos quânticos.

O "macarrão":um único, design desafiador de ondulador

O ondulador de raios-X rígido concluído terá 32 segmentos. Cada segmento pesa 2,3 toneladas e tem cerca de 13 pés de comprimento. O design dos segmentos do ondulador de raio-X rígido é único porque ele essencialmente gira o design do ondulador tradicional 90 graus, que também representou desafios de engenharia únicos.

Para caber dentro do túnel ondulador no SLAC, os segmentos do ondulador tinham que ser muito mais finos do que o normal - os engenheiros do Berkeley Lab apelidaram o projeto de "macarrão". Este projeto também fez o suporte de aço, ou forte, contendo os muitos ímãs em cada segmento do unduluator mais sujeito a flexão indesejada devido às cerca de 4 toneladas de força magnética que eles devem suportar.

O único, o projeto girado dos onduladores exigiu uma matriz de cerca de 150 molas por segmento do ondulador que pode ser ajustada com precisão para manter as centenas de ímãs alinhados.

Mas mesmo pequenas mudanças de temperatura, e usinagem simples, como aparafusar novos componentes, alterou as estruturas de suporte do forte além do que era permitido - os dispositivos tiveram que permanecer em linha reta até 10 milionésimos de um metro.

Portanto, o design inicial dos segmentos teve que ser completamente repensado, disse Matthaeus Leitner, Engenheiro chefe do Berkeley Lab para os onduladores LCLS-II.

"Por muito tempo não tínhamos uma solução, "Leitner disse." Basicamente, tivemos que mudar cada componente individual do dispositivo. Este foi um esforço de equipe por engenheiros e técnicos altamente qualificados. "

John Corlett, que atuou como líder da equipe sênior do Berkeley Lab no projeto LCLS-II e agora é Diretor de Gerenciamento de Projeto do Laboratório, disse, "Este foi um problema de engenharia mecânica muito desafiador. Foi um esforço colaborativo entre SLAC, Berkeley, e os laboratórios da Argonne trabalhando juntos. Realizamos vários workshops, e trabalhamos juntos para resolver problemas. É fantástico que tenhamos conseguido fazer isso no curto espaço de tempo necessário para o projeto. "

Leitner acrescentou, "Um grande ponto forte do Berkeley Lab é a variedade de recursos de engenharia. Se surgir um problema, podemos colocar imediatamente muitos recursos para resolver um problema. Poderíamos resolver esse problema aparentemente intransponível em alguns meses. Isso foi incrível. Só foi possível porque temos ferramentas em grande escala, dispositivos de medição de precisão, e excelente equipamento de apoio de engenharia. "

Houve também um esforço substancial dos engenheiros do Berkeley Lab para trabalhar e treinar os três fornecedores que fabricaram e montaram os onduladores. O Berkeley Lab utilizou seu design magnético e recursos de medição, e desenvolveu métodos precisos para montar e ajustar eficientemente os onduladores.

O design girado exclusivamente dos onduladores de raios-X duros acabará por melhorar o desempenho do laser de raios-X, fornecendo mais raios-X para as amostras em experimentos, Leitner observou. "Isso dá a você um aumento significativo na potência de saída disponível dos raios-X duros, " ele disse.

Leitner e Corlett disseram que o design, conhecido como polarização vertical, provavelmente será adotado por outros lasers de elétrons livres de raios-X e fontes de luz, agora que os desafios do projeto para a capacidade foram resolvidos.

"Isso nunca foi feito antes, "Corlett disse.

Próximos passos

Além dos onduladores, fica o Front End Enclosure, ou FEE, que contém uma série de óticas, diagnósticos, e dispositivos de ajuste que preparam os raios X para experimentos específicos. Isso inclui o mais plano do mundo, os espelhos mais lisos, com um metro de comprimento, mas que variam em altura na largura de apenas um átomo em sua superfície. Durante as próximas semanas, essas ópticas serão testadas em preparação para mais de 80 experimentos a serem conduzidos por pesquisadores de todo o mundo nos próximos seis meses.

"Hoje marca o início da era LCLS-II para a ciência de raios-X, "disse Mike Dunne, Diretor LCLS. "Nossa tarefa imediata será usar este novo ondulador para investigar o funcionamento interno do vírus SARS-CoV-2. Então, nos próximos anos, veremos uma transformação incrível em nossas instalações. Em seguida, será o ondulador de raios-X suave , otimizado para estudar como a energia flui entre átomos e moléculas, e, portanto, o funcionamento interno de novas tecnologias de energia. Além disso, estará o novo acelerador supercondutor que aumentará nosso poder de raios-X em muitos milhares de vezes. "

Ele adicionou, "O futuro é brilhante, como gostamos de dizer no mundo do laser de raios-X. "