Phòng thí nghiệm SLAC Laser điện tử không tia X cứng đã được nâng cấp thành công

July 27, 2020

Vào tháng 4 năm 2009, tia laser điện tử tia X cứng (XFEL) đầu tiên trên thế giới đã tạo ra ánh sáng đầu tiên tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.Nguồn sáng kết hợp Linac (LCLS) tạo ra các xung tia X sáng hơn một tỷ lần so với bất kỳ nguồn sáng nào trước đó.Kể từ đó, hiệu suất của nó đã mang lại những hiểu biết mới trong nhiều lĩnh vực khoa học, từ việc tạo ra "phim phân tử" hóa học đến nghiên cứu cấu trúc và chuyển động của protein của một thế hệ thuốc mới và mô phỏng "mưa kim cương" trong các hành tinh khổng lồ của hệ mặt trời. .".

Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC đã khởi động dự án LCLS-II vào năm 2013 để tăng sức mạnh của tia laser tia X lên hàng nghìn lần và tạo ra một triệu xung mỗi giây.Hiện tại, chỉ có 120 xung có thể được tạo ra mỗi giây.Việc nâng cấp dự án dự kiến ​​sẽ hoàn thành trong vòng hai năm.

Nguyên lý làm việc của laser điện tử tự do tia X cứng được chia thành hai bước.Đầu tiên, nó tăng tốc chùm tia điện tử mạnh tới gần tốc độ ánh sáng.Sau đó, chùm tia này được truyền qua một loạt các nam châm được điều chỉnh chính xác trong một thiết bị gọi là bộ dao động, chuyển đổi năng lượng điện tử thành các xung cường độ mạnh của tia X.

Các xung này chỉ dài một phần triệu giây, để chúng có thể nắm bắt được sự ra đời của các liên kết hóa học và tạo ra hình ảnh với độ phân giải nguyên tử.Dự án LCLS-II có kế hoạch lắp đặt máy gia tốc mới cho phòng thí nghiệm có thể sử dụng công nghệ siêu dẫn gây lạnh để đạt được tốc độ lặp lại chưa từng có và cài đặt một bộ dao động mới có thể điều khiển chính xác chùm tia X.

Trong năm rưỡi qua, bộ tạo xung LCLS ban đầu trong phòng thí nghiệm đã được thay thế bằng hai hệ thống hoàn toàn mới với các chức năng hoàn toàn mới.Mỗi thiết bị tạo sóng chứa hàng ngàn nam châm kéo dài hơn 100 mét;từ trường mà chúng tạo ra cùng nhau mạnh hơn hàng chục nghìn lần so với từ trường của trái đất và lực tạo ra tương đương với một vài tấn trọng lượng.Đồng thời, cấu trúc của nam châm sẽ không xoắn quá một phần trăm chiều rộng của mộttóc người.

Thiết bị tạo sóng mới được thiết kế bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne ở Hoa Kỳ và được Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley chế tạo, và được lắp đặt tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC trong năm qua.Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc SLAC có thể dẫn các chùm điện tử của các máy gia tốc LCLS hiện có qua mảng nam châm trong bộ giả lập "tia X cứng" mới.Chỉ trong vài giờ, họ đã tạo ra tín hiệu tia X đầu tiên và sau đó điều chỉnh chính xác cấu hình để tối đa hóa hiệu suất laser tia X.

Henrik von der Lippe, giám đốc kỹ thuật của Phòng thí nghiệm Berkeley, cho biết: "Việc tạo ra ánh sáng đầu tiên là một cột mốc được mong đợi từ lâu. Cơ sở khoa học này sẽ cho phép nghiên cứu khoa học mới."