每秒一百万次脉冲:粒子加速器如何驱动x射线激光器

  • 日期:09-09
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每秒一百万个脉冲:粒子加速器如何驱动X射线激光器

大约10年前,世界上最强大的X射线激光器直线加速器相干光源在SLAC国家加速器实验室首次亮相。现在,在其他四个美国国家实验室的支持下,SLAC正在建造下一代革命性X射线激光器LCLS-II。

生物学,化学和物理学的研究人员将使用LCLS-II检测物质的基本部分并创建复杂分子活动的3D图像,使LCLS-II成为功能强大且功能多样的尖端发现工具。

该项目的成功主要归功于粒子和核物理领域的重要进展:超导加速器技术。美国能源部的费米实验室和托马斯杰斐逊国家加速器设施正在建设用于LCLS-II加速器升级的超导模块。

强大的发现工具

今天,在SLAC的线性粒子加速器中,电子的爆发被加速,使LCLS每秒发射120个X射线脉冲。这些脉冲持续十亿分之一秒。这个时间尺度称为飞秒,为科学家提供类似于翻书的分子过程观察。

“随着时间的推移,你可以建立一个关于不同系统如何演变的分子视频,”SLAC科学家和LCLS主任Mike Dunne说。 “事实证明这非常了不起,但它也有一些局限性。这就是LCLS-II的作用。”

使用最先进的粒子加速器技术,LCLS-II每秒可提供惊人的百万个脉冲。这一发展将更详细地研究化学,材料和生物系统如何在化学键形成和碎裂的时间尺度上演变。

要真正理解这种差异,想象一下你是一个正在访问地球的外星人。如果你每天拍摄一下这个城市的照片,你会注意到道路和驾驶的汽车,但是你无法分辨汽车的速度或汽车的方向。但是,每隔几秒钟拍摄一次快照会让您非常详细地了解汽车如何通过道路并发现交通拥堵。 LCLS-II将为化学,生物和材料过程提供此类步骤变更信息。

为了达到这种?附谒剑琒LAC需要实施为粒子物理学开发的技术超导加速器子结构,以便为LCLS-II自由电子激光器(XFEL)供电。

加速科学

腔是将能量传递到粒子束并加速其中的粒子的结构。与现代粒子加速器一样,LCLS-II将采用超导射频腔技术,也称为SRF技术。当冷却到2开尔文时,超导腔允许电流自由流动而没有任何阻力。就像减少重量和地面之间的摩擦一样,较小的电阻器可以节省能量并使加速器以更低的成本实现更高的功率。

“SRF技术是每秒LCLS-II百万个脉冲的实施步骤,”Dunn说。 Jefferson Labs和Fermi Labs多年来一直在开发这项技术。使LCLS-II成为可能在这些实验室中生存的核心技术。

Fermilab改进了德国DESY的低温模型设计,并专门准备了这些腔室,以实现LCLS-II中使用的腔室和低温模型的记录性能。

直径约1米的圆柱形冷模用作专用容器的容纳室。超冷液氦在腔体周围连续流动,以确保它们保持恒定的2开尔文超导性。端到端连接的37个低温型号将为LCLS-II XFEL供电。

Fermilab和Jefferson Labs负责制造,测试和向SLAC提供低温模型。两个实验室将共同构建所有低温模型以适应这些空腔。费米实验室将提供19种低温模型,杰斐逊实验室将提供额外的18种。这些气缸中最大的可以达到12米(40英尺)长,大约相当于一辆校车的长度。每个实验室还会向SLAC发送一些备件。

这些腔体及其低温模型代表了SRF技术的突破,提供了比以往更高效的高能量光束。研究人员改进了SRF腔以实现记录梯度,这是一种测量光束达到一定能量的速度的方法。这些空腔最近实现了前所未有的能效水平,在降低成本的同时,将最先进的设计水平提高了一倍。

在开发LCLS-II加速器组件时,科学家和工程师非常谨慎。例如,为了创建低温模型和腔体,Fermilab使用地震检测设备来识别影响腔体有效性的振动是内部还是外部。一旦确定原因,它们就会改变液氦管道的结构以减少振动。

当LCLS-II首次推出低温模型时,费米实验室和杰斐逊实验室也将派遣科学家和工程师协助SLAC。

这些优势使LCLS-II成为美国能源部科学办公室的首要任务之一,并超越了协作实验室的利益。预计LCLS-II将在其前身的基础上进一步推进其从生物学和化学到材料科学和天体物理学的研究领域。

开放,深入

一种类似的物质,可以深入了解地球是如何形成的。天体物理学家将能够利用这些信息在系外行星上寻找生命。

利用LCLS-II,科学家们将能够比以往更深入地研究光合作用。我希望有一天人类能够逆转光合作用并使用新的生物工具来产生能量。

绘制蛋白质和酶的图谱。这种更深刻的理解将为科学家创造更好的药物铺平道路。

科学家们还打算用LCLS-II来研究超导体,这样机器的加速器技术就可以得到充分应用。由于需要特定的低温,目前的超导体受到限制。通过了解超导的原子现象,研究人员可以创建室温超导体。

粒子和核物理已经开发出LCLS-II将使用的超导技术和能力。这些进步将使LCLS-II能够研究许多科学领域中的一些最重要的问题。

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来源:科学科学

每秒一百万个脉冲:粒子加速器如何驱动X射线激光器

大约10年前,世界上最强大的X射线激光器直线加速器相干光源在SLAC国家加速器实验室首次亮相。现在,在其他四个美国国家实验室的支持下,SLAC正在建造下一代革命性X射线激光器LCLS-II。

生物学,化学和物理学的研究人员将使用LCLS-II检测物质的基本部分并创建复杂分子活动的3D图像,使LCLS-II成为功能强大且功能多样的尖端发现工具。

该项目的成功主要归功于粒子和核物理领域的重要进展:超导加速器技术。美国能源部的费米实验室和托马斯杰斐逊国家加速器设施正在建设用于LCLS-II加速器升级的超导模块。

强大的发现工具

今天,在SLAC的线性粒子加速器中,电子的爆发被加速,使LCLS每秒发射120个X射线脉冲。这些脉冲持续十亿分之一秒。这个时间尺度称为飞秒,为科学家提供类似于翻书的分子过程观察。

“随着时间的推移,你可以建立一个关于不同系统如何演变的分子视频,”SLAC科学家和LCLS主任Mike Dunne说。 “事实证明这非常了不起,但它也有一些局限性。这就是LCLS-II的作用。”

使用最先进的粒子加速器技术,LCLS-II每秒可提供惊人的百万个脉冲。这一发展将更详细地研究化学,材料和生物系统如何在化学键形成和碎裂的时间尺度上演变。

要真正理解这种差异,想象一下你是一个正在访问地球的外星人。如果你每天拍摄一下这个城市的照片,你会注意到道路和驾驶的汽车,但是你无法分辨汽车的速度或汽车的方向。但是,每隔几秒钟拍摄一次快照会让您非常详细地了解汽车如何通过道路并发现交通拥堵。 LCLS-II将为化学,生物和材料过程提供此类步骤变更信息。

为了达到这种细节水平,SLAC需要实施为粒子物理学开发的技术超导加速器子结构,以便为LCLS-II自由电子激光器(XFEL)供电。

加速科学

腔是将能量传递到粒子束并加速其中的粒子的结构。与现代粒子加速器一样,LCLS-II将采用超导射频腔技术,也称为SRF技术。当冷却到2开尔文时,超导腔允许电流自由流动而没有任何阻力。就像减少重量和地面之间的摩擦一样,较小的电阻器可以节省能量并使加速器以更低的成本实现更高的功率。

“SRF技术是每秒LCLS-II百万个脉冲的实施步骤,”Dunn说。 Jefferson Labs和Fermi Labs多年来一直在开发这项技术。使LCLS-II成为可能在这些实验室中生存的核心技术。

Fermilab改进了德国DESY的低温模型设计,并专门准备了这些腔室,以实现LCLS-II中使用的腔室和低温模型的记录性能。

直径约1米的圆柱形冷模用作专用容器的容纳室。超冷液氦在腔体周围连续流动,以确保它们保持恒定的2开尔文超导性。端到端连接的37个低温型号将为LCLS-II XFEL供电。

Fermilab和Jefferson Labs负责制造,测试和向SLAC提供低温模型。两个实验室将共同构建所有低温模型以适应这些空腔。费米实验室将提供19种低温模型,杰斐逊实验室将提供额外的18种。这些气缸中最大的可以达到12米(40英尺)长,大约相当于一辆校车的长度。每个实验室还会向SLAC发送一些备件。

这些腔体及其低温模型代表了SRF技术的突破,并提供了比以往更高效的高能束。研究人员已经改进了SRF谐振器来记录梯度,这是一种测量光束达到一定能量水平的速度的方法。这些空腔最近在能源效率方面也取得了前所未有的成就,在降低成本的同时,使之前最先进的设计水平翻了一番。

科学家和工程师在开发LCLS-II加速器组件时非常谨慎。例如,为了创建低温模型和腔室,费米实验室使用地震检测设备来识别影响腔室有效性的振动是内部还是外部。一旦确定原因,他们改变了液氦管道的结构以减少振动。

当LCLS-II首次启动低温模型时,费米实验室和杰斐逊实验室也将派遣科学家和工程师协助SLAC。

这些优势使LCLS-II成为美国能源部科学办公室的首要任务之一,并超越了协作实验室的利益。预计LCLS-II将以其前身为基础,并进一步渗透到从生物学,化学到材料科学和天体物理学的各个领域。

开放,深入

一种类似的物质,可以深入了解地球是如何形成的。天体物理学家将能够利用这些信息在系外行星上寻找生命。

利用LCLS-II,科学家们将能够比以往更深入地研究光合作用。希望有一天人类能够逆转光合作用并使用新的生物工具来产生能量。

蛋白质和酶的图谱如下。这种更深刻的理解将为科学家创造更好的药物铺平道路。

科学家们还打算用LCLS-II来研究超导体,这样机器的加速器技术就可以得到充分应用。由于需要特定的低温,目前的超导体受到限制。通过了解超导的原子现象,研究人员可以创建室温超导体。

粒子和核物理已经开发出LCLS-II将使用的超导技术和能力。这些进步将使LCLS-II能够研究许多科学领域中的一些最重要的问题。

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