X-ray Laser cải tiến mới của Stanford đã thành công #SLAC #LCLS-II
Trung tâm tiến tới làn sóng X-ray lần đầu tiên sau khi được nâng cấp tại Trung tâm Tăng Tốc Tuyến Tung DoE của Stanford (SLAC). LCLS-II, phiên bản nâng cấp của Linac Coherent Light Source (LCLS), có thể phát ra tới một triệu xạ thần kinh mỗi giây (gấp 8.000 lần so với phiên bản ban đầu) và một tia liên tục gần như không gián đoạn sáng hơn 10.000 lần so với thế hệ trước. Các nhà nghiên cứu tin tưởng rằng nó sẽ mở ra cơ hội nghiên cứu chưa từng có về “hiện tượng hiện tượng ultra nhanh cấp nguyên tử” và đưa ra thông tin mới về việc tính toán lượng tử, giao tiếp, năng lượng sạch và y tế.
Một trong những yếu tố quan trọng của việc nâng cấp mạnh mẽ của bộ tăng tốc này chính là khả năng làm lạnh. LCLS ban đầu, được đưa vào hoạt động vào năm 2009, giới hạn tối đa là 120 xạ thần kinh mỗi giây do giới hạn tự nhiên về số lượng electron có thể đi qua ống đồng oxi cùng môi trường nhiệt độ phòng của bộ tăng tốc. Nhưng phiên bản nâng cấp bao gồm 37 mô-đun lạnh được làm lạnh xuống âm 456 độ Fahrenheit (lạnh hơn cả không gian bên ngoài), cho phép nó “tăng cường điện tử lên năng lượng cao với gần như không có sự mất đi năng lượng”. Bộ tăng tốc mới này sẽ làm việc song song với phiên bản đồng của nó.
Các nhà nghiên cứu SLAC cho biết khả năng mới này sẽ cho phép họ xem xét chi tiết về các vật liệu lượng tử với độ phân giải chưa từng có, đồng thời kích hoạt các hình thái mới của việc tính toán lượng tử và “tiết lộ các sự kiện hóa học không thể đoán trước và thoáng qua” để giúp thúc đẩy công nghệ năng lượng sạch. Ngoài ra, họ cho biết điều này có thể giúp các nhà khoa học phát triển thuốc mới bằng cách nghiên cứu cách các phân tử sinh học hoạt động trên một tỷ lệ chưa từng thấy. Cuối cùng, họ tuyên bố rằng tốc độ bấm nhấp 8.000 lần chưa từng có sẽ “mở ra những lĩnh vực nghiên cứu khoa học hoàn toàn mới”.
Các nhà nghiên cứu SLAC đã bắt đầu mô phỏng các cải tiến cho LCLS ban đầu từ năm 2010. Dự án từ đó đã tiêu tốn 1,1 tỷ đô la và đã liên quan đến “hàng nghìn nhà khoa học, kỹ sư và kỹ thuật viên trên toàn quốc, cùng với nhiều đối tác cơ quan.” Nó yêu cầu nhiều “thành phần tiên tiến”, bao gồm một nguồn electron mới, hai nhà máy lạnh để sản xuất chất làm lạnh và hai ống quay mới để tạo ra tia X từ vi phân. Nhiều viện đã đóng góp cho dự án này, bao gồm năm phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ (Trung tâm nghiên cứu Quốc gia Lawrence Berkeley và Trung tâm nghiên cứu Quốc gia Argonne, v.v.) và Đại học Cornell.
“Thí nghiệm trong mỗi lĩnh vực này sẽ bắt đầu trong thời gian tới, thu hút hàng ngàn nhà nghiên cứu từ khắp nước Mỹ và trên thế giới,” giám đốc LCLS, Mike Dunne, cho biết. “Các cơ sở sử dụng của DoE như LCLS được cung cấp miễn phí cho người sử dụng – chúng ta chọn dựa trên khoa học quan trọng và có tác động nhất. LCLS-II sẽ thúc đẩy cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực học thuật và công nghiệp. Tôi mong đợi những ý tưởng mới mẻ – đây là bản chất vì sao các phòng thí nghiệm quốc gia tồn tại.”
The newly upgraded particle accelerator at the DoE’s Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) has produced its first X-rays. The Linac Coherent Light Source (LCLS) upgrade, LCLS-II, can emit up to a million X-ray pulses per second (8,000 times more than the original) and an almost continuous beam 10,000 times brighter than its predecessor. Researchers believe it will enable unprecedented research into “atomic-scale, ultrafast phenomena” and shed new light on quantum computing, communications, clean energy and medicine.
One of the keys to the accelerator’s powerful upgrade is its cooling abilities. The original LCLS, which went online in 2009, was capped at 120 pulses per second because of the natural limits of how many electrons could simultaneously travel through the accelerator’s room-temperature copper pipes. But the updated version includes 37 cryogenic modules cooled to negative 456 degrees Fahrenheit (colder than outer space), allowing it to “boost electrons to high energies with nearly zero energy loss.” The new accelerator will work in parallel with the existing copper one.
SLAC researchers say the new capabilities will allow them to examine details of quantum materials with unprecedented resolution while enabling new forms of quantum computing and “reveal unpredictable and fleeting chemical events” to help advance clean energy tech. In addition, they say it could help scientists develop new pharmaceuticals by studying how biological molecules work on an unprecedented scale. Finally, they stated that its unmatched 8,000 flashes per second will “open up entirely new fields of scientific investigation.”
SLAC researchers began envisioning upgrades to the original LCLS in 2010. The project has since gone through $1.1 billion and has involved “thousands of scientists, engineers, and technicians across DOE, as well as numerous institutional partners.” It required numerous “cutting-edge components,” including a new electron source, two cryoplants to produce refrigerant and two new undulators to generate X-rays from the beam. Multiple institutions contributed to the endeavor, including five US national labs (Lawrence Berkeley National Laboratory and Argonne National Laboratory, among others) and Cornell University.
“Experiments in each of these areas are set to begin in the coming weeks and months, attracting thousands of researchers from across the nation and around the world,” said LCLS Director Mike Dunne. “DOE user facilities such as LCLS are provided at no cost to the users — we select on the basis of the most important and impactful science. LCLS-II is going to drive a revolution across many academic and industrial sectors. I look forward to the onslaught of new ideas — this is the essence of why national labs exist.”
