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Aug 11, 2023

Elétrons agora se movendo através do acelerador supercondutor que alimentará o X do SLAC

A instalação está agora a poucos passos de liberar um fluxo sem precedentes de raios X ultrabrilhantes. Por David Krause Depois de mais de uma década de trabalho, os elétrons estão agora voando através de um novo supercondutor

A instalação está agora a poucos passos de liberar um fluxo sem precedentes de raios X ultrabrilhantes.

Por David Krause

Depois de mais de uma década de trabalho, os elétrons estão agora voando através de um novo acelerador supercondutor no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, preparando-se para alimentar o laser de elétrons livres de raios X mais poderoso do mundo. Este projeto – denominado Linac Coherent Light Source II (LCLS-II) – está agora a poucos passos de libertar flashes de raios X que abrirão uma nova era na investigação científica a esse nível atómico.

“Ver os elétrons percorrerem todo o caminho através do LCLS-II é a prova de que nossa ideia de criar a fonte para uma máquina de raios X supercondutora extremamente poderosa no SLAC vai funcionar”, Dan Gonnella, cientista-chefe do SLAC e líder do grupo na diretoria do acelerador, disse. “Estávamos confiantes em nosso trabalho, mas até que você veja os primeiros elétrons realmente passarem, você sentirá um frio na barriga.”

Para enviar elétrons através da instalação, equipes de quatro laboratórios nacionais – Argonne, Berkeley Lab, Fermilab e Jefferson Lab – e da Universidade Cornell trabalharam juntas por quase 10 anos para construir todos os componentes de próxima geração da instalação. Em 2019, as equipes instalaram um canhão de elétrons de última geração, enquanto no ano passado as equipes ligaram uma planta de resfriamento de hélio que reduz a temperatura da instalação para dois Kelvins – mais fria que o espaço sideral.

O LCLS-II produzirá raios X 10.000 vezes mais brilhantes do que os da instalação de laser de elétrons livres existente no SLAC, LCLS – uma atualização histórica que abrirá visões anteriormente inimagináveis ​​sobre algumas das questões científicas mais urgentes do nosso tempo. A instalação irá liberar um milhão de flashes de raios X por segundo, muito mais do que a taxa atual de 120 flashes por segundo do LCLS. As explosões mais brilhantes e mais rápidas de raios X permitirão aos cientistas enfrentar desafios como a compreensão de como adaptar soluções naturais para a captação de energia solar para uma nova geração de combustíveis limpos, inventar métodos de produção sustentáveis ​​para a indústria e projetar uma nova geração de medicamentos. baseado na capacidade de criar filmes moleculares de como nosso corpo responde às doenças.

“Não estamos respondendo apenas a algumas perguntas com o novo acelerador supercondutor, estamos permitindo que os cientistas respondam a um número incrível de perguntas”, disse o gerente de engenharia eletrônica do SLAC, Andy Benwell.

O nióbio ajuda os elétrons a voar

A temperatura operacional extremamente baixa do LCLS-II permite que a instalação funcione de forma altamente eficiente e conduza eletricidade com resistência quase zero. Mas construir um acelerador com resistência próxima de zero requer materiais específicos, incluindo o nióbio, um metal de terras raras usado em outros tipos de máquinas, como turbinas eólicas e motores a jato.

Para o LCLS-II, uma série de cavidades de nióbio brilhantes em forma de ampulheta aceleram os elétrons dentro das 37 criomódulas da instalação. Cada criomódulo possui oito cavidades de nióbio, o que significa que o LCLS-II tem quase 300 cavidades – o suficiente para esticar o comprimento de cerca de três campos de futebol. As cavidades de nióbio aceleram os elétrons até que eles voem quase à velocidade da luz em direção à sala ondulante, onde passarão por uma série de ímãs primorosamente sintonizados que os força a percorrer um caminho em zigue-zague e emitir energia na forma de raios X. Esses raios X são então entregues a um conjunto de instrumentos especializados para que os pesquisadores possam realizar experimentos.

As cavidades permitem que o LCLS-II forneça um fluxo de pulsos sem precedentes que permitirá aos pesquisadores fazer filmes detalhados de processos de tamanho atômico na natureza. Esses filmes terão resolução muito maior do que as fotos tiradas no LCLS – até 8.000 vezes o número de quadros por segundo do que os do acelerador existente.

“Rastrear o movimento de átomos e moléculas em filmes em tempo real abrirá uma nova fronteira para a ciência dos raios X e será inovador para experimentos que acontecem em todo o mundo”, disse Gonnella.