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Dec 20, 2023

SLAC の X に電力を供給する超伝導加速器の中を電子が移動中

この施設は現在、前例のない超高輝度 X 線の放出を目前に控えています。 David Krause著 10年以上の研究を経て、電子は新しい超伝導体の中を飛び回っている

この施設は現在、前例のない超高輝度 X 線の放出を目前に控えています。

デヴィッド・クラウス著

10年以上の研究を経て、現在、エネルギー省のSLAC国立加速器研究所にある新しい超伝導加速器の中を電子が飛行しており、世界で最も強力なX線自由電子レーザーに電力を供給する準備が整っている。 リニアックコヒーレント光源 II (LCLS-II) と名付けられたこのプロジェクトは、原子レベルでの科学研究に新時代を開く X 線フラッシュの放出まであと少しです。

「電子がLCLS-IIを通過するのを見ることは、SLACで非常に強力な超伝導X線装置の線源を作るという私たちのアイデアがうまくいくという証拠です」とSLACの主席科学者でグループリーダーのダン・ゴネラ氏は述べた。と加速器局で述べた。 「私たちは自分たちの研究に自信を持っていましたが、最初の電子が実際に通過するのを見るまでは、蝶のような気分になります。」

施設内に電子を送るために、アルゴンヌ研究所、バークレー研究所、フェルミ研究所、ジェファーソン研究所の 4 つの国立研究所とコーネル大学のスタッフが 10 年近く協力して、施設のすべての次世代コンポーネントを構築しました。 2019年にチームは最先端の電子銃を設置し、昨年は施設の温度を宇宙よりも低い2ケルビンまで下げるヘリウム冷却プラントを稼働させた。

LCLS-II は、SLAC の既存の自由電子レーザー施設である LCLS よりも 10,000 倍明るい X 線を生成します。これは、現代の最も差し迫った科学的問題のいくつかについて、以前は想像もできなかった視野を開く歴史的なアップグレードです。 この施設は、LCLS の現在の 1 秒あたり 120 回のフラッシュ速度をはるかに上回る、1 秒あたり 100 万回の X 線フラッシュを放出します。 より明るく、より高速な X 線バーストにより、科学者は、太陽エネルギーを収集して新世代のクリーン燃料に自然な解決策を適応させる方法の理解、産業向けの持続可能な製造方法の発明、新世代の医薬品の設計などの課題に取り組むことが可能になります。私たちの体が病気にどのように反応するかについての分子ムービーを作成する能力に基づいています。

SLACエレクトロニクスエンジニアリングマネージャーのアンディ・ベンウェル氏は、「新しい超電導加速器に関して、我々はわずか数個の質問に答えているだけではなく、科学者たちに信じられないほど多くの質問に答えさせている」と語った。

ニオブは電子の飛行を助ける

LCLS-II の動作温度は非常に低いため、施設は非常に効率的に稼働し、ほぼゼロの抵抗で電気を流すことができます。 しかし、抵抗がほぼゼロの加速器を構築するには、風力タービンやジェット エンジンなどの他のタイプの機械で使用される希土類金属であるニオブを含む、特定の材料が必要です。

LCLS-II の場合、一連の明るい砂時計型のニオブ空洞が、施設内の 37 個のクライオモジュール内の電子を加速します。 各クライオモジュールには 8 つのニオブ空洞があり、LCLS-II にはほぼ 300 の空洞があることを意味します。これはサッカー場約 3 つ分の長さに十分な量です。 ニオブの空洞は電子を加速し、ほぼ光速でアンジュレーターホールに向かって飛行させます。そこで電子は、精巧に調整された一連の磁石を通過して、ジグザグの経路を移動させられ、X 線の形でエネルギーを放出します。 これらの X 線は、研究者が実験を行えるように一連の特殊な機器に送られます。

この空洞により、LCLS-II は前例のないパルス ストリームを提供できるようになり、研究者は自然界の原子サイズのプロセスの詳細な動画を撮影できるようになります。 これらのムービーは、LCLS で撮影された写真よりもはるかに高い解像度を持ち、既存のアクセラレータで撮影したものよりも 1 秒あたりのフレーム数が最大 8,000 倍になります。

「リアルタイム動画で原子や分子の動きを追跡することは、X線科学の新たな境地を切り開き、世界中で行われている実験にとって画期的なものとなるでしょう」とゴネラ氏は述べた。