نیوزویز — لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس (XFEL) به تازگی ارتقا یافته منبع نور منسجم Linac (LCLS) در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC وزارت انرژی، اولین اشعه ایکس خود را با موفقیت تولید کرده است و محققان در سراسر جهان در حال حاضر برای دریافت آن صف می کشند. در یک برنامه علمی بلندپروازانه آغاز شد.
این ارتقا که LCLS-II نام دارد، قابلیت های بی نظیری را ایجاد می کند که عصر جدیدی را در تحقیقات اشعه ایکس آغاز خواهد کرد. دانشمندان می‌توانند جزئیات مواد کوانتومی را با وضوح بی‌سابقه بررسی کنند تا اشکال جدیدی از محاسبات و ارتباطات را هدایت کنند. رویدادهای شیمیایی غیرقابل پیش‌بینی و زودگذر را نشان دهد تا به ما بیاموزد چگونه صنایع پایدارتر و فناوری‌های انرژی پاک ایجاد کنیم. بررسی نحوه انجام مولکول های بیولوژیکی عملکردهای زندگی به منظور توسعه انواع جدیدی از داروها. و جهان را در سریع ترین زمان مطالعه کنید تا زمینه های جدیدی از تحقیقات علمی را باز کنید.
گرگ هیز، مدیر پروژه LCLS-II گفت: «این دستاورد نقطه اوج بیش از یک دهه کار است. این نشان می‌دهد که تمام عناصر مختلف LCLS-II با هماهنگی کار می‌کنند تا نور لیزر اشعه ایکس را در یک حالت عملکرد کاملاً جدید تولید کنند.»
رسیدن به اولین نور نتیجه مجموعه ای از نقاط عطف کلیدی است که در سال 2010 با چشم انداز ارتقای LCLS اولیه آغاز شد و به یک پروژه ارتقاء چند ساله (1.1 میلیارد دلاری) تبدیل شد که شامل هزاران دانشمند، مهندس و تکنسین DOE و همچنین تعداد زیادی از دانشمندان بود. شرکای نهادی
بیش از 60 سال است که SLAC ابزارهای قدرتمندی ساخته و کار می کند که به دانشمندان کمک می کند به سؤالات اساسی در مورد جهان اطراف ما پاسخ دهند. استفن استرایفر، مدیر موقت آزمایشگاه SLAC، گفت: این نقطه عطف رهبری ما را در علم اشعه ایکس تضمین می کند و ما را به سمت نوآوری های آینده سوق می دهد. “این همه به لطف تلاش های باورنکردنی همه بخش های آزمایشگاه ما در همکاری با تیم گسترده تر پروژه است.”
بردن علم اشعه ایکس به سطح جدیدی
XFEL ها پالس های بسیار روشن و بسیار کوتاهی از نور پرتو ایکس تولید می کنند که به دانشمندان اجازه می دهد رفتار مولکول ها، اتم ها و الکترون ها را با جزئیات بی سابقه ای در مقیاس های زمانی طبیعی که در آن تغییرات در شیمی، زیست شناسی و مواد رخ می دهد، ثبت کنند. XFELها به بسیاری از پیشرفت‌های علمی کمک کرده‌اند، از جمله ایجاد اولین “فیلم مولکولی” برای مطالعه فرآیندهای شیمیایی پیچیده، مشاهده در زمان واقعی که چگونه گیاهان و جلبک‌ها نور خورشید را جذب می‌کنند تا تمام اکسیژنی را که تنفس می‌کنیم، و مطالعه شرایط شدیدی که تکامل سیاره‌ای را هدایت می‌کنند. و پدیده هایی مانند باران الماس.
LCLS، اولین XFEL حالت جامد جهان، اولین نور خود را در آوریل 2009 تولید کرد و پالس های اشعه ایکس را میلیاردها برابر روشن تر از هر چیزی که قبلا وجود داشت تولید کرد. این الکترون ها را از طریق یک لوله مسی در دمای اتاق شتاب می دهد، که سرعت آن را به 120 پالس اشعه ایکس در ثانیه محدود می کند.
جنیفر ام. گرانهولم، وزیر انرژی ایالات متحده، گفت: “نور LCLS-II SLAC کوچکترین و سریع ترین پدیده های جهان را روشن می کند و منجر به اکتشافات بزرگ در رشته های مختلف از سلامت انسان گرفته تا علم مواد کوانتومی می شود.” این ارتقا به قوی ترین لیزر اشعه ایکس موجود، ایالات متحده را در خط مقدم علم اشعه ایکس نگه می دارد و پنجره ای به نحوه عملکرد جهان ما در سطح اتمی ارائه می دهد. به مهندسان و محققان فوق‌العاده با استعداد در SLAC که در طی چند سال گذشته، همه به دنبال دانش، در این پروژه بسیار کار کرده‌اند، تبریک می‌گویم.»
ارتقاء LCLS-II علم اشعه ایکس را به سطح جدیدی می برد: می تواند تا یک میلیون پالس اشعه ایکس در هر ثانیه تولید کند که 8000 برابر بیشتر از LCLS است و یک پرتو پرتو ایکس تقریباً پیوسته تولید کند که 10000 خواهد بود. به طور متوسط چند برابر روشن تر از سلف خود – یک رکورد جهانی برای قدرتمندترین منابع نور پرتو ایکس امروزی.
آمرت آسفو بره، مدیر دفتر علوم DOE، گفت: “تاریخ LCLS به عنوان علم پیشرو در جهان با این قابلیت های ارتقا یافته به رشد خود ادامه خواهد داد.” من واقعاً مشتاقانه منتظر تأثیر LCLS-II و جامعه کاربر بر اولویت‌های علمی ملی از تحقیقات علوم پایه در شیمی، مواد، زیست‌شناسی و موارد دیگر هستم. بکارگیری پیشرفت ها در علم انرژی های پاک؛ و تضمین امنیت ملی از طریق ابتکاراتی مانند علم اطلاعات کوانتومی.
مشارکت های فناوری پیشرفته
این دستاورد اوج تلاش مشترک گسترده با مشارکت های حیاتی محققان در سراسر جهان است. چندین مؤسسه، از جمله پنج آزمایشگاه ملی ایالات متحده و یک دانشگاه، به این پروژه کمک کردند، که گواهی بر اهمیت ملی و بین المللی آن است.
مرکز اصلی قابلیت های پیشرفته LCLS-II شتاب دهنده ابررسانای انقلابی آن است. این شامل 37 ماژول برودتی است که تا منفی 456 درجه فارنهایت – سردتر از فضای بیرون – دمایی که می‌تواند الکترون‌ها را با اتلاف انرژی تقریباً صفر به انرژی‌های بالا برساند، خنک می‌شود. Fermilab و تاسیسات شتاب دهنده ملی توماس جفرسون نقش کلیدی در طراحی و ساخت این کرایومدول ها داشتند.
لیا مرمینگا، مدیر Fermilab گفت: «در قلب پروژه LCLS-II شتاب دهنده ابررسانا پیشگام آن قرار دارد. “تجربه و استعداد مهندسی، فنی و علمی جمعی مشترک برای ساخت موفقیت آمیز آن و ارائه عملکرد در سطح جهانی در مدت زمان بسیار کوتاهی سزاوار اعتبار عظیم است.”
شتاب دهنده ابررسانا به موازات شتاب دهنده مسی موجود کار می کند و به محققان اجازه می دهد تا مشاهداتی را در محدوده انرژی وسیع تری انجام دهند، عکس های فوری دقیقی از فرآیندهای سریع بگیرند، نمونه های ظریف را فراتر از دسترس سایر منابع نوری کاوش کنند و داده های بیشتری را در زمان کمتری جمع آوری کنند. تعداد آزمایش هایی که می توان در این مرکز انجام داد.
استوارت هندرسون، مدیر آزمایشگاه جفرسون، می‌گوید: دیدن این دستاورد فوق‌العاده که توسط پیشرفته‌ترین شتاب‌دهنده ابررسانا LCLS-II طراحی شده، شگفت‌انگیز است. «آزمایشگاه جفرسون مفتخر است که با ساخت نیمی از ماژول‌های سرمایشی با همکاری Fermilab و SLAC به این دستاورد کمک کرده است. این دستاورد مبتنی بر بیش از یک دهه توسعه این فناوری قدرتمند شتاب دهنده ذرات است.
علاوه بر یک شتاب‌دهنده جدید، LCLS-II به بسیاری از اجزای پیشرفته دیگر، از جمله یک منبع الکترونی جدید، دو انجماد قوی که مبرد برای ساختارهای نیوبیوم در کرایومدول‌ها تولید می‌کنند، و دو مولد شکل موج جدید برای تولید پرتوهای ایکس از یک الکترون نیاز دارد. پرتو، و همچنین جهش های بزرگ در فناوری لیزر، پردازش فوق سریع داده ها، و حسگرها و آشکارسازهای پیشرفته.
موج‌سازها با مشارکت آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و آزمایشگاه ملی آرگون ساخته شده‌اند. بسیاری از مؤسسات دیگر، از جمله دانشگاه کرنل، مؤلفه‌های کلیدی دیگری را مشارکت داده‌اند که بر تعهد گسترده‌ای برای پیشبرد دانش علمی تأکید می‌کند.
مایک ویترل، مدیر آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، گفت: «به SLAC و به تیم تأثیرگذار متخصصان شتاب دهنده از آزمایشگاه‌های وزارت انرژی در سراسر کشور که LCLS-II را ساختند، تبریک می‌گویم. این مرکز جدید منحصر به فرد فرصت های جدید بسیاری را برای اکتشافات علمی فراهم می کند.»
موجبرهای پرتو ایکس «نرم» و «سخت» به ترتیب پرتوهای ایکس با انرژی کم و پرانرژی تولید می‌کنند – انعطاف‌پذیری که به محققان اجازه می‌دهد آزمایش‌های خود را دقیق‌تر تنظیم کنند و ساختارها و رفتار مواد و سیستم‌های بیولوژیکی را عمیق‌تر بررسی کنند.
پل کرنز، مدیر آزمایشگاه ملی آرگون، گفت: “ما از دیدن همکاری خود با SLAC و آزمایشگاه برکلی به کمک این منبع نوری در آینده هیجان زده ایم.” “فناوری پیشرفته پشت LCLS-II به جامعه تسهیلات کاربر DOE این امکان را می دهد تا درک ما از دنیای اطراف را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. به SLAC و به همه کسانی که در این دستاورد علمی قابل توجه کمک کردند تبریک می گویم.
امکان پیشرفت علم
محققان سال‌ها در حال آماده شدن برای استفاده از LCLS-II برای یک برنامه علمی گسترده بوده‌اند که چالش‌هایی را که قبلاً دور از دسترس بودند، مقابله می‌کند.
به عنوان مثال، دانشمندان قادر خواهند بود تا تعاملات موجود در مواد کوانتومی را در مقیاس‌های زمانی طبیعی آن‌ها مطالعه کنند، که برای درک ویژگی‌های غیرمعمول و اغلب غیرمعمول آن‌ها کلیدی است – با استفاده از آن‌ها برای ساخت دستگاه‌هایی با انرژی کارآمد، رایانه‌های کوانتومی، پردازش داده‌های فوق سریع و موارد دیگر. فناوری های آینده
با گرفتن عکس‌های فوری در مقیاس اتمی از واکنش‌های شیمیایی در مقیاس زمانی آتوثانیه – مقیاسی که الکترون‌ها در آن حرکت می‌کنند – LCLS-II همچنین بینش بی‌سابقه‌ای را در مورد واکنش‌های شیمیایی و بیولوژیکی که منجر به فرآیندهای کارآمدتر و مؤثرتر در صنایع می‌شود، از انرژی‌های تجدیدپذیر گرفته تا تولید کود و کاهش گازهای گلخانه ای
پالس های اشعه ایکس تولید شده توسط LCLS-II به دانشمندان اجازه می دهد تا جریان انرژی را از طریق سیستم های پیچیده در زمان واقعی ردیابی کنند. این سطح بی سابقه ای از جزئیات را برای اطلاع از پیشرفت ها در زمینه هایی مانند محاسبات فوق سریع، تولید پایدار و ارتباطات فراهم می کند.
در تقاطع فیزیک، شیمی و مهندسی، علم مواد نیز می تواند تا حد زیادی از قابلیت های جدید LCLS-II بهره مند شود. پتانسیل لیزر اشعه ایکس بهبودیافته برای مشاهده ساختار داخلی و خواص مواد در مقیاس اتمی و مولکولی پیش‌بینی می‌شود که منجر به پیشرفت‌هایی در طراحی مواد جدید با خواص منحصر به فرد شود که طیف وسیعی از صنایع از الکترونیک گرفته تا ذخیره‌سازی انرژی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. و مهندسی هوافضا
فرآیندهای زندگی در مقیاس ها و سرعت هایی رخ می دهند که اغلب از مطالعه دقیق دور مانده اند. توانایی LCLS-II برای ایجاد “فیلم های مولکولی” می تواند این پدیده ها را روشن کند و درک ما از زندگی را در اساسی ترین سطح آن متحول کند. از رقص پیچیده پروتئین ها تا مکانیسم فتوسنتز، LCLS-II سیستم های بیولوژیکی را با جزئیات بی سابقه ای روشن می کند.
مایک دان، مدیر LCLS گفت: آزمایش‌ها در هر یک از این حوزه‌ها باید در هفته‌ها و ماه‌های آینده آغاز شود و هزاران محقق را از سراسر کشور و سراسر جهان جذب کند. «امکانات کاربر DOE مانند LCLS بدون هیچ هزینه ای برای کاربران ارائه می شود – ما بر اساس مهم ترین و تأثیرگذارترین علم انتخاب می کنیم. LCLS-II بسیاری از بخش های دانشگاهی و صنعتی را متحول خواهد کرد. من مشتاقانه منتظر ظهور ایده های جدید هستم – این جوهر دلیل وجود آزمایشگاه های ملی است.”
SLAC یک آزمایشگاه چند برنامه ای پر جنب و جوش است که به بررسی نحوه عملکرد جهان در بزرگترین، کوچک ترین و سریع ترین مقیاس می پردازد و ابزارهای قدرتمندی را اختراع می کند که توسط دانشمندان در سراسر جهان استفاده می شود. با تحقیقاتی که در زمینه فیزیک ذرات، اخترفیزیک و کیهان‌شناسی، مواد، شیمی، علوم زیستی و انرژی، و محاسبات علمی انجام می‌شود، ما به حل مشکلات دنیای واقعی و پیشبرد منافع کشور کمک می‌کنیم.
SLAC توسط دانشگاه استنفورد اداره می شود دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند.
