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Dec 20, 2023

Gli elettroni ora si muovono attraverso l'acceleratore superconduttore che alimenterà l'X di SLAC

La struttura è ora a pochi passi dal rilascio di un flusso senza precedenti di raggi X ultra luminosi. Di David Krause Dopo più di un decennio di lavoro, gli elettroni ora volano attraverso un nuovo superconduttore

La struttura è ora a pochi passi dal rilascio di un flusso senza precedenti di raggi X ultra luminosi.

Di David Krause

Dopo più di un decennio di lavoro, gli elettroni stanno ora volando attraverso un nuovo acceleratore superconduttore presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia, preparandosi ad alimentare il laser a elettroni liberi a raggi X più potente al mondo. Questo progetto – denominato Linac Coherent Light Source II (LCLS-II) – è ora a pochi passi dal rilascio di lampi di raggi X che apriranno una nuova era nella ricerca scientifica a livello atomico.

"Vedere gli elettroni attraversare l'LCLS-II è la prova che la nostra idea di creare la sorgente di una macchina a raggi X superconduttrice estremamente potente allo SLAC funzionerà", Dan Gonnella, scienziato capo dello SLAC e leader del gruppo nella direzione dell'acceleratore, ha detto. "Eravamo fiduciosi nel nostro lavoro, ma finché non vedi i primi elettroni che riescono effettivamente a passare, senti le farfalle."

Per inviare gli elettroni attraverso la struttura, gli equipaggi di quattro laboratori nazionali – Argonne, Berkeley Lab, Fermilab e Jefferson Lab – e la Cornell University, hanno lavorato insieme per quasi 10 anni per costruire tutti i componenti di prossima generazione della struttura. Nel 2019, i team hanno installato un cannone elettronico all’avanguardia, mentre l’anno scorso hanno acceso un impianto di raffreddamento a elio che porta la temperatura della struttura fino a due Kelvin, più fredda dello spazio.

LCLS-II produrrà raggi X 10.000 volte più luminosi di quelli dell’attuale impianto laser a elettroni liberi di SLAC, LCLS – un aggiornamento storico che aprirà prospettive precedentemente inimmaginabili su alcune delle questioni scientifiche più urgenti del nostro tempo. La struttura rilascerà un milione di lampi di raggi X al secondo, molto più della velocità attuale di LCLS di 120 lampi al secondo. Le esplosioni di raggi X più luminose e rapide consentiranno agli scienziati di affrontare sfide come capire come adattare soluzioni naturali per la raccolta di energia solare per una nuova generazione di combustibili puliti, inventare metodi di produzione sostenibili per l’industria e progettare una nuova generazione di farmaci. basato sulla capacità di creare filmati molecolari su come i nostri corpi rispondono alle malattie.

"Non stiamo rispondendo solo ad alcune domande con il nuovo acceleratore superconduttore, stiamo permettendo agli scienziati di rispondere a un numero incredibile di domande", ha affermato Andy Benwell, responsabile dell'ingegneria elettronica di SLAC.

Il niobio aiuta gli elettroni a volare

La temperatura operativa estremamente bassa di LCLS-II consente alla struttura di funzionare in modo altamente efficiente e di condurre elettricità con una resistenza quasi pari a zero. Ma costruire un acceleratore con una resistenza prossima allo zero richiede materiali specifici, incluso il niobio, che è un metallo delle terre rare utilizzato in altri tipi di macchine, come turbine eoliche e motori a reazione.

Per LLCLS-II, una serie di cavità di niobio luminose a forma di clessidra accelera gli elettroni all'interno dei 37 criomoduli della struttura. Ogni criomodulo ha otto cavità di niobio, il che significa che LLCLS-II ha quasi 300 cavità, sufficienti per allungare la lunghezza di circa tre campi da calcio. Le cavità del niobio accelerano gli elettroni finché non volano quasi alla velocità della luce verso la sala ondulatrice, dove passeranno attraverso una serie di magneti squisitamente sintonizzati che li costringe a percorrere un percorso a zigzag ed emettere energia sotto forma di raggi X. Questi raggi X vengono poi inviati a una serie di strumenti specializzati in modo che i ricercatori possano condurre esperimenti.

Le cavità consentono a LCLS-II di fornire un flusso di impulsi senza precedenti che consentirà ai ricercatori di acquisire filmati dettagliati di processi di dimensioni atomiche in natura. Questi filmati avranno una risoluzione molto più elevata rispetto alle immagini scattate presso LCLS, fino a 8.000 volte il numero di fotogrammi al secondo rispetto a quelli dell'acceleratore esistente.

“Tracciare il movimento di atomi e molecole in filmati in tempo reale aprirà una nuova frontiera per la scienza dei raggi X e sarà rivoluzionario per gli esperimenti che si svolgono in tutto il mondo”, ha affermato Gonnella.