Najvýkonnejší röntgenový laser teraz vypáli milión impulzov za sekundu
- Autor:
- Roman Mališka
- Zverejnené:
- 12. 5. 2022
- Hodnotenie:
- Už ste hlasovali.
Najvýkonnejší röntgenový laser na svete je po rozsiahlej rekonštrukcii pripravený na prevádzku. Výkonná modernizácia Stanfordského koherentného zdroja svetla linaku (Linac Coherent Light Source - LCLS), LCLS-II, využíva teploty chladnejšie ako v hlbokom vesmíre na urýchlenie elektrónov na rýchlosť blízku rýchlosti svetla a vystreľuje milión röntgenových impulzov za sekundu.
LCLS-II je tzv. tvrdý röntgenový laser na voľných elektrónoch, prístroj určený na snímanie mikroskopických objektov s vysokým rozlíšením a v ultrarýchlom čase. Jeho predchodca sa používal na zobrazovanie vírusov, rekonštrukciu podmienok v strede hviezdy, varenie vody do plazmy horúcejšej ako zemské jadro, či na vytváranie najhlasnejšieho možného zvuku.
Nedávno dokončená druhá fáza prístroja bude toho schopná ešte oveľa viac. Röntgenové impulzy z LCLS-II budú v priemere 10 000-krát jasnejšie ako impulzy jeho predchodcu a každú sekundu ich vystrelí milión, čo je obrovský nárast oproti pôvodným 120-tim impulzom za sekundu.
„Už za niekoľko hodín LCLS-II vyprodukuje viac röntgenových impulzov, ako súčasný laser za celú svoju životnosť,“ povedal Mike Dunne, riaditeľ LCLS. „Údaje, ktorých zber kedysi trval celé mesiace, bude možné získať za niekoľko minút. Röntgenová veda sa tým posunie na novú úroveň, čím sa otvorí cesta k úplne novým štúdiám a posunie sa naša schopnosť vyvíjať revolučné technológie na riešenie niektorých z najzávažnejších výziev, ktorým čelí naša spoločnosť.“
LCLS-II funguje rovnakým základným spôsobom ako prvá generácia - elektróny sa generujú a potom sa urýchľujú v dlhom potrubí, než vstúpia do takzvaného „undulátora“, ktorý ich rozkmitá, až kým nevrhnú röntgenové žiarenie zo strany na stranu. Každý krok tohto procesu sa však teraz vylepšil.
Najväčšou zmenou prešiel urýchľovač uprostred. Tam, kde sa predtým elektróny vypúšťali medeným potrubím pri izbovej teplote, LCLS-II využíva súbor 37 kryomodulov na ochladenie zariadenia až na -271 stupňov Celzia, čo je len o niečo viac ako absolútna nula. Robí to tak, že do modulov privádza chladiace médium v podobe tekutého hélia z dvoch veľkých héliových kryoplôch.
Pri takejto nízkej teplote sa kovové dutiny nióbu vo vnútri modulov stávajú supravodivými, čo umožňuje prechod elektrónov s nulovým odporom. Mikrovlny sa používajú na napájanie oscilujúceho elektrického poľa, ktoré rezonuje vo vnútri týchto dutín a synchronizuje sa s rytmom prechádzajúcich elektrónov, takže im odovzdáva energiu. Táto pridaná energia urýchľuje elektróny, takže kým prejdú všetkými 37 kryomodulmi, pohybujú sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla.
Potom elektróny prejdú do undulátorov, ktoré pomocou silných magnetov ťahajú elektróny zo strany na stranu, čím sa rozkmitajú a začnú vyžarovať röntgenové žiarenie. Nové undulátory dokážu generovať „tvrdé“ aj „mäkké“ röntgenové žiarenie, ktoré je užitočné na rôzne účely. Tvrdé röntgenové žiarenie dokáže detailne zobraziť jednotlivé atómy, zatiaľ čo mäkké röntgenové žiarenie dokáže zobraziť tok energie medzi atómami a molekulami.
Podľa tímu je teraz prístroj pripravený na testovanie s prvými elektrónmi, keďže kryomoduly dosiahli v apríli nízku teplotu. LCLS-II by malo pritom začať produkovať röntgenové žiarenie ešte tento rok. Keď sa tak stane, očakáva sa, že zariadenie poskytne nové poznatky v oblasti chémie, biológie, výpočtovej techniky a kvantovej mechaniky.
História LCLS a modernizácie LCLS-II je opísaná vo videu na začiatku článku alebo TU.
