5 марта 2024 года SLAC получил второй криомодуль LCLS-II-HE из Jefferson Lab. В стиле Jefferson Lab он был украшен и доставлен в честь ближайшего праздника — на этот раз Дня Святого Патрика. Автор: Жаклин Рамсейер Оррелл/SLAC National Accelerator Laboratory
Министерство энергетики (DOE) дало зеленый свет началу строительства высокоэнергетической модернизации, которая еще больше повысит производительность источника когерентного света Linac Coherent Light Source (LCLS), самого мощного в мире рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики.
После завершения модернизация позволит ученым исследовать процессы атомного масштаба с беспрецедентной точностью и решать фундаментальные вопросы в области хранения энергии, катализа, биологии, материаловедения и квантовой физики, как никогда ранее.
«Эта высокоэнергетическая модернизация LCLS укрепляет позицию лаборатории как мирового лидера в области рентгеновской и сверхбыстрой науки», — сказал директор лаборатории SLAC Джон Саррао. «Благодаря критической поддержке Управления науки Министерства энергетики и наших партнерских лабораторий модернизация, когда она будет завершена, откроет новые возможности для научных открытий и инноваций. Это продолжит привлекать лучшие таланты и способствовать новаторским исследованиям в различных дисциплинах».
В 2023 году SLAC отпраздновал завершение проекта LCLS-II, выведшего рентгеновскую науку на совершенно новый уровень благодаря добавлению сверхпроводящего ускорителя, двух новых магнитных структур, называемых ондуляторами, для генерации мягкого и жесткого рентгеновского излучения из электронного пучка, а также другим крупным технологическим достижениям, которые позволяют установке производить до миллиона рентгеновских импульсов в секунду — в 8000 раз больше, чем у ее предшественника.
Новый проект модернизации, названный LCLS-II-HE, удвоит энергию электронного пучка, выходящего из сверхпроводящего электронного ускорителя, что более чем удвоит максимальную энергию рентгеновского излучения и обеспечит 3000-кратное увеличение производительности в средней яркости рентгеновского излучения для «жесткого» или высокоэнергетического рентгеновского излучения.
«Модернизация LCLS-II-HE станет преобразующим шагом вперед для научной миссии DOE Basic Energy Sciences и более широкого научного сообщества», — сказал директор LCLS Майк Данн. «Если модернизация LCLS-II позволила создать высококачественную кинокамеру, способную снимать четкие и подробные изображения, модернизация LCLS-II-HE значительно повышает разрешение и чувствительность этой камеры.
«Ученые смогут визуализировать движение материалов, химических систем и биологических комплексов в атомном масштабе, чтобы решить некоторые из наиболее важных проблем, с которыми сталкивается наше общество».
С благоприятными критическими решениями 2 и 3 (CD-2/3) в сентябре 2024 года Министерство энергетики США официально одобрило строительство проекта стоимостью 716 миллионов долларов, представляющего собой значительный прогресс в технологии рентгеновских лазеров.
Объединение с лабораториями-партнерами для повышения мощности
Когда LCLS был запущен в 2009 году, это был первый в мире лазер на свободных электронах, производящий жесткое рентгеновское излучение. С тех пор подобные источники света появились по всему миру. Модернизация LCLS-II значительно увеличила мощность установки, превзойдя все остальное в мире.
Новый сверхпроводящий ускоритель, построенный в рамках модернизации LCLS-II, состоит из 37 криогенных модулей, которые охлаждаются до -456°F — холоднее, чем в открытом космосе — температуры, при которой он может разгонять электроны до высоких энергий с почти нулевой потерей энергии.
Криомодули были разработаны Национальной ускорительной лабораторией Ферми (Fermilab) Министерства энергетики США, которая сотрудничала с Национальным ускорительным комплексом Томаса Джефферсона (Jefferson Lab) для совместного проектирования и тестирования. Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Аргоннская национальная лаборатория разработали ондуляторы, которые используются для получения рентгеновских лучей.
SLAC снова объединился с этими национальными лабораториями, а также с Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) в Университете штата Мичиган, для проекта модернизации LCLS-II-HE. Fermilab и Jefferson Lab строят и испытывают набор из 23 новых криомодулей, каждый из которых содержит восемь сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, реализующих новейшие технологии для повышения производительности.
Высокоэнергетическая модернизация будет использовать существующий жесткий рентгеновский ондулятор, а SLAC снова будет сотрудничать с Berkeley Lab для модификации мягкого рентгеновского ондулятора, чтобы оба могли использоваться одновременно с новым пучком.
Изготовление и поставка криомодулей уже идут полным ходом благодаря предварительному одобрению DOE на закупку этих компонентов с длительным сроком поставки, которые будут готовы к началу установки в туннеле ускорителя SLAC к концу 2025 года. На сегодняшний день изготовлено около 95% полостей и доставлено в SLAC 10 криомодулей.
Испытания показывают, что они должны достичь уровня производительности как минимум в полтора раза выше, чем криомодули, произведенные для модернизации LCLS-II, что свидетельствует о быстрых темпах изменений в этой области.
«Командная работа и сотрудничество являются движущей силой революционных достижений в технологии XFEL, позволяя проводить беспрецедентные исследования атомных и молекулярных структур в сверхбыстрые сроки», — сказал директор проекта LCLS-II-HE Грег Хейс.
«Эти коллективные усилия объединяют опыт сотен ученых, инженеров и техников по всей стране, опираясь на давние партнерские отношения с экспертами со всего мира. Управление науки Министерства энергетики США гордится историей успешного завершения сложных крупномасштабных проектов. Модернизация LCLS-II-HE является последней в этой линейке, и мы рады перейти к этой финальной фазе поставки».
Высокая энергия открывает новые двери для науки
Модернизация LCLS-II-HE позволит глубоко проникнуть в динамику атомного уровня, которая лежит в основе функционирования большей части сложного мира вокруг нас — от чистой энергии до устойчивого развития, передового производства и здоровья человека. Решения в этих областях зависят от трансформации нашего предсказательного понимания и способности контролировать сложную материю, материалы и устройства в фундаментальных временных и длинных масштабах, которые определяют, как они функционируют.
Например, с помощью жесткого рентгеновского излучения и более высокой чувствительности, которая стала возможной благодаря обновлению, ученые смогут глубоко заглянуть в твердые и жидкие системы, чтобы изучить скрытые поверхности, растворенные молекулы и наноматериалы. Эта способность имеет решающее значение для разработки новых идей для возобновляемой энергии и катализаторов, чтобы помочь разработать эффективные системы для устойчивого производства, хранения энергии и преобразования солнечной энергии в безуглеродное топливо и электричество.
В области биомедицинской науки необходимо гораздо более глубокое понимание, которое связывает структурную эволюцию биомолекулярной системы с ее функцией. Это имеет решающее значение для здоровья человека и биобезопасности, а также для информирования синтетических подходов для использования биохимических подходов для зеленых промышленных, сельскохозяйственных и энергетических решений.
Благодаря высокоэнергетическому обновлению LCLS сможет отображать полный спектр движений биологических образцов по мере их функционирования — и делать это в физиологически релевантных средах впервые, что позволит разрабатывать новые целевые фармацевтические препараты, которые могут более эффективно лечить заболевания.
Обновление предоставит инструменты с высоким разрешением для захвата поведения новых типов материалов и квантовых систем, что позволит разрабатывать новое поколение сверхбыстрых компьютеров и систем связи и будет направлено на значительное снижение потребления энергии в центрах обработки данных и повышение энергоэффективности электронных устройств.
Усовершенствованный LCLS также будет продвигать машинное обучение и ИИ, генерируя беспрецедентные объемы высококачественных данных, которые можно использовать для обучения более точных моделей и ускорения научных открытий — более петабайта данных в день, что эквивалентно миллиону загрузок фильмов. Это позволит проводить предиктивное моделирование, проводить автономные эксперименты и разрабатывать новые алгоритмы, улучшая анализ данных в каждой из этих научных областей.
Предоставлено Национальной ускорительной лабораторией SLAC
