Совсем недавно был проведен успешный запуск модернизированного рентгеновского лазера на свободных электронах, известного как Linac Coherent Light Source (LCLS), в Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Министерстве энергетики. Этот обновленный проект получил имя LCLS-II и открывает перед мировыми учеными уникальные возможности, которые будут содействовать новой эпохе в исследованиях с использованием рентгеновских лучей.
LCLS-II предоставляет беспрецедентные шансы для научных исследований. Ученые смогут детально исследовать квантовые материалы с невиданным разрешением, что стимулирует создание новых форм вычислений и коммуникаций. Они смогут выявлять неожиданные и мгновенные химические процессы, что поможет разрабатывать более устойчивые отрасли и экологически чистые энергетические технологии. Также, LCLS-II будет использоваться для изучения того, как биологические молекулы выполняют свои функции, что способствует разработке новых видов фармацевтических препаратов. Кроме того, этот инструмент позволит исследовать мир на кратчайших временных интервалах, открывая совершенно новые направления в научных исследованиях.
LCLS-II генерирует сверхяркие и очень короткие импульсы рентгеновского света, которые позволяют ученым наблюдать поведение молекул, атомов и электронов с невероятной детализацией и в реальном времени, в масштабах времени, в которых происходят химические, биологические и материальные изменения. Эти рентгеновские исследования сыграли ключевую роль во многих научных достижениях, таких как создание первого "молекулярного фильма" для изучения сложных химических процессов, исследование процесса фотосинтеза растений и водорослей, а также изучение экстремальных условий, влияющих на эволюцию планеты, включая алмазный дождь.
LCLS, первый в мире жесткий рентгеновский свободно-электронный лазер, впервые сгенерировал рентгеновские импульсы в апреле 2009 года и превзошел своих предшественников в яркости на несколько порядков. Он ускоряет электроны через медные трубки при комнатной температуре, ограничивая их скорость до 120 рентгеновских импульсов в секунду.
Модернизация LCLS-II переводит рентгеновскую науку на совершенно новый уровень: это устройство способно генерировать до миллиона рентгеновских импульсов в секунду, что в 8000 раз больше, чем у LCLS. Более того, LCLS-II может производить почти непрерывный рентгеновский луч, который в среднем будет ярче в 10 000 раз по сравнению с предыдущей версией — это мировой рекорд для источников рентгеновского света.
Этот уникальный проект стал реальностью благодаря совместным усилиям множества исследовательских учреждений по всему миру. Более того, это свидетельствует о его национальной и мировой важности. Несколько национальных лабораторий США, а также университеты, внесли свой значительный вклад в реализацию проекта.
Основой расширенных возможностей LCLS-II стал уникальный сверхпроводниковый ускоритель. Он состоит из 37 криогенных модулей, охлаждаемых до абсолютного нуля и способных разогревать электроны до высоких энергий с минимальными потерями энергии. Эти модули были разработаны в партнерстве с Фермилабом и Национальным ускорительным комплексом Томаса Джефферсона.
Сверхпроводящий ускоритель работает параллельно с существующим медным ускорителем, что позволяет исследователям проводить наблюдения в более широком диапазоне энергий, делать подробные снимки быстрых процессов, исследовать деликатные образцы, недоступные другим источникам света, и собирать больше данных за меньшее время, что существенно расширяет возможности проведения экспериментов.
Для реализации LCLS-II потребовалось также множество других передовых компонентов, таких как новый источник электронов, мощные криогенные системы для охлаждения ниобиевых структур в криомодулях, и новые ондуляторы для генерации рентгеновских лучей из электронов. Развивались также лазерные технологии, методы быстрой обработки данных и передовые датчики и детекторы.
Ондуляторы были разработаны при сотрудничестве с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли и Аргоннской национальной лабораторией, а Корнелльский университет и другие организации внесли вклад в разработку других ключевых компонентов LCLS-II.
Исследователи уже несколько лет готовятся к использованию LCLS-II в широком спектре научных исследований, которые ранее были недоступны. Например, они смогут изучать взаимодействие в квантовых материалах на их естественных временных масштабах, что имеет большое значение для создания энергоэффективных устройств и развития квантовых компьютеров. Также, наблюдение за химическими реакциями на атомном уровне в аттосекундных временных интервалах (с масштабом движения электронов) позволит лучше понимать химические и биологические процессы, что приведет к более эффективным технологиям в разных областях, включая производство удобрений и сокращение выбросов парниковых газов.
Создание миллиона рентгеновских импульсов в секунду, а также возможность получать почти непрерывный рентгеновский луч, дает исследователям уникальную способность отслеживать поток энергии через сложные системы в реальном времени. Это поможет углубить наши знания в таких областях, как сверхбыстрые вычисления, устойчивое производство и коммуникации.
Исследования на LCLS-II обещают приносить новые открытия и усовершенствования в различных сферах науки и технологии, и это является знаковым достижением, в котором участвовали множество учреждений и ученых из разных стран.
