Самый мощный лазер в мире будет серьезно модернизирован — в 3 000 раз выше яркость и вдвое больше энергия луча

Министерство энергетики США (DOE) дало добро на модернизацию Linac Coherent Light Source (LCLS), невероятно мощного рентгеновского лазера, используемого для исследований. Он находится в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, расположенной недалеко от кампуса Стэнфордского университета в районе залива Сан-Франциско.

Ученые используют LCLS для документирования и анализа строительных блоков Вселенной, облучая рентгеновскими лучами атомы, наноструктуры и молекулы. Это позволяет им документировать атомные процессы, которые управляют тем, как устроен мир, и особенно полезно для исследования субатомных процессов в квантовых, энергетических и биологических науках.

Лазеры на свободных электронах, подобные этому, дают яркий свет в невероятно широком диапазоне длин волн, причем лучи на порядки ярче и интенсивнее, чем у других лазеров. LCSC работает, ускоряя электроны до скорости, приближающейся к скорости света, а затем концентрируя их через массив магнитов, известный как «ундулятор». Это заставляет их высвобождать фотоны (частицы света) в концентрированный, яркий луч, который освещает частицы в процессе, сходном с рентгеновской съемкой с повышенной энергией.

Как работает рентгеновский лазер LCSC

LCLS размещается в 2-мильном (3,2-километровом) туннеле, первоначально использовавшемся для ускорителя частиц, построенного в 1962 году. Впервые он был модернизирован в 2023 году в рамках проекта «LCLS-II». Новое оборудование, добавленное к лазеру, увеличило его яркость — в результате луч стал в 10 000 раз ярче, чем на первой стадии LCLS. LCSC-II также в триллион раз ярче, чем рентгеновские лучи, которые можно найти в больнице. Он стреляет лучами с частотой до миллиона импульсов в секунду, каждый из которых длится всего несколько фемтосекунд — время, которое требуется свету, чтобы пройти 300 нанометров (или примерно ширину вируса).

Это позволяет снимать покадровое «кино» химических процессов: в 2015 году это позволило ученым впервые увидеть, как образуются химические связи, а в 2023 году — наблюдать в реальном времени этапы фотосинтеза. Это помогает нам понять все — от химических реакций до сохранения энергии в новых солнечных батареях.

В рамках проекта был добавлен новый сверхпроводящий ускоритель, который значительно увеличил скорость ускорения электронов в лазере. Достижение этих результатов означало охлаждение траектории частиц почти до абсолютного нуля с помощью 37 криогенных модулей (криомодулей), которые понизили температуру внутри LCLS до -456 градусов F (-271 градус C) — это холоднее, чем в глубоком космосе.

Эти модули выстроены один за другим и образуют корпус, в котором находится лазер LCLS-II. Внутри каждого криомодуля в схеме находятся радиочастотные полости, которые после охлаждения до невероятно низких температур действуют как сверхпроводники, усиливая энергию лазерного луча. Криомодули содержат переохлажденный гелий и сверхпроводящие радиочастотные полости, которые помогают охлаждать материалы, используемые в чувствительных научных системах, таких как LCLS, позволяя им работать без электрического сопротивления или выделения тепла.

Что ожидать от LCLS-II-HE

Последний раунд модернизации известен как «LCLS-II-HE» и удвоит энергию пучка свободных электронов LCLS-II, что позволит увеличить яркость в 3 000 раз. Это потребует большего охлаждения с помощью 23 дополнительных криомодулей.

Для создания этих новых компонентов Национальная ускорительная лаборатория SLAC будет сотрудничать с Национальной ускорительной лабораторией Ферми, установкой для пучков редких изотопов (FRIB) в Мичиганском государственном университете и Национальной ускорительной установкой Томаса Джефферсона. Она также будет сотрудничать с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли, которая разработала ундулятор, используемый в LCLS-II, а также с Аргоннской национальной лабораторией, чтобы адаптировать ундулятор в соответствии с новыми требованиями к выходу.

«Модернизация LCLS-II-HE станет революционным достижением для научной миссии DOE Basic Energy Sciences и более широкого научного сообщества», — заявил директор LCLS Майк Данн в пресс-релизе. Если модернизация LCLS-II позволила создать высококачественную кинокамеру, способную получать четкие и детальные изображения, то модернизация LCLS-II-HE значительно повысит разрешение и чувствительность этой камеры». Ученые смогут получать изображения движения материалов, химических систем и биологических комплексов в атомном масштабе, чтобы решать важнейшие задачи, стоящие перед нашим обществом».

Модернизация обойдется в 716 миллионов долларов и, как ожидается, значительно расширит научные возможности Национальной ускорительной лаборатории SLAC, которая управляется Стэнфордским университетом по поручению Министерства энергетики. В настоящее время организация ожидает, что модернизация будет завершена к 2030 году, хотя ученые надеются провести испытания гораздо раньше, чтобы продемонстрировать весь потенциал лазера.

Рентгеновские лазеры, подобные LCLS, несут в себе трансформационный потенциал для научных открытий. Они уже используются для изучения оптимальных структур нанотехнологий и наноматериалов, что , по словам представителей Национальной ускорительной лаборатории SLAC, может сыграть важную роль в улучшении технологий возобновляемых источников энергии и повышении плотности энергии аккумуляторов. Эта научная работа также может расширить наше понимание наноразмерных биологических процессов в стремлении создать лучшие лекарства, добавили они.

После модернизации LCLS будет производить более одного петабайта данных в день, которые, в свою очередь, могут быть использованы для обучения моделей машинного обучения и искусственного интеллекта (ИИ), применяемых в вышеупомянутых научных областях.