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Um trecho de 800 metros de túnel em Menlo Park, Califórnia, agora é mais frio do que a maior parte do universo. Ele abriga um novo acelerador de partículas supercondutoras, parte de um projeto de atualização para o laser de elétrons livres de raios-X Linac Coherent Light Source (LCLS). Foto: Jim Gensheimer/Greg Stewart, SLAC
O Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA projetou, construiu e testou 18 dos 37 módulos aceleradores criogênicos que estão instalados no LCLS-II linac. No total para o LCLS-II, 41 módulos foram entregues ao SLAC, dos quais o Fermilab forneceu 20 módulos, incluindo sobressalentes, e o Jefferson Lab, um parceiro chave neste projeto, forneceu o restante. O desempenho desses módulos na bancada de teste excedeu drasticamente o estado da arte e preparou o terreno para uma atualização adicional (LCLS-II HE) e para futuros FELs CW.
Aninhado a 30 pés de profundidade em Menlo Park, Califórnia, um trecho de 800 metros de comprimento de túnel é agora mais frio do que a maior parte do universo. Ele abriga um novo acelerador de partículas supercondutoras, parte de um projeto de atualização para o laser de elétrons livres de raios X Linac Coherent Light Source (LCLS) no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia.
As equipes resfriaram com sucesso o acelerador a menos 456 graus Fahrenheit – ou 2 kelvins – uma temperatura na qual ele se torna supercondutor e pode impulsionar elétrons para altas energias com quase zero de energia perdida no processo. É um dos últimos marcos antes que o LCLS-II produza pulsos de raios-X que são 10.000 vezes mais brilhantes, em média, do que os do LCLS e que chegam até um milhão de vezes por segundo - um recorde mundial para o X-X mais poderoso de hoje. fontes de luz de raios.
“Em apenas algumas horas, o LCLS-II produzirá mais pulsos de raios X do que o laser atual gerou em toda a sua vida útil”, disse Mike Dunne, diretor do LCLS. “Dados que antes levavam meses para serem coletados, podem ser produzidos em minutos. Levará a ciência de raios-X para o próximo nível, abrindo caminho para toda uma nova gama de estudos e avançando nossa capacidade de desenvolver tecnologias revolucionárias para enfrentar alguns dos desafios mais profundos que nossa sociedade enfrenta”.
Com esses novos recursos, os cientistas podem examinar os detalhes de materiais complexos com resolução sem precedentes para impulsionar novas formas de computação e comunicação; revelar eventos químicos raros e fugazes para nos ensinar como criar indústrias mais sustentáveis e tecnologias de energia limpa; estudar como as moléculas biológicas realizam as funções da vida para desenvolver novos tipos de produtos farmacêuticos; e espie o mundo bizarro da mecânica quântica medindo diretamente os movimentos de átomos individuais.
Um feito arrepiante
O LCLS, o primeiro laser de elétrons livres de raios X rígidos (XFEL) do mundo, produziu sua primeira luz em abril de 2009, gerando pulsos de raios X um bilhão de vezes mais brilhantes do que qualquer coisa que havia antes. Ele acelera os elétrons através de um tubo de cobre à temperatura ambiente, o que limita sua taxa a 120 pulsos de raios X por segundo.
Assista a um vídeo: história da LCLS
Em 2013, o SLAC lançou o projeto de atualização LCLS-II para aumentar essa taxa para um milhão de pulsos e tornar o laser de raios X milhares de vezes mais poderoso. Para que isso acontecesse, as equipes removeram parte do antigo acelerador de cobre e instalaram uma série de 37 módulos aceleradores criogênicos, que abrigam cordões perolados de cavidades metálicas de nióbio. Eles são cercados por três camadas aninhadas de equipamentos de resfriamento, e cada camada sucessiva diminui a temperatura até atingir quase zero absoluto – uma condição na qual as cavidades de nióbio se tornam supercondutoras.
“Ao contrário do acelerador de cobre que alimenta o LCLS, que opera à temperatura ambiente, o acelerador supercondutor LCLS-II opera a 2 kelvins, apenas cerca de 4 graus Fahrenheit acima do zero absoluto, a temperatura mais baixa possível”, disse Eric Fauve, diretor da Divisão de Criogenia do SLAC. . “Para atingir essa temperatura, o linac é equipado com duas crioplantas de hélio de classe mundial, tornando o SLAC um dos marcos criogênicos significativos nos EUA e no mundo. A equipe de criogenia do SLAC trabalhou no local durante a pandemia para instalar e comissionar o sistema criogênico e resfriar o acelerador em tempo recorde”.
Uma dessas crioplantas, construída especificamente para o LCLS-II, resfria o gás hélio da temperatura ambiente até sua fase líquida a apenas alguns graus acima do zero absoluto, fornecendo o refrigerante para o acelerador.
Em 15 de abril, o novo acelerador atingiu sua temperatura final de 2 K pela primeira vez, e hoje, 9 de maio, está estável em sua configuração final.
O linac está equipado com duas crioplantas de hélio de classe mundial. Uma dessas crioplantas, construída especificamente para o LCLS-II, resfria o gás hélio da temperatura ambiente até sua fase líquida a apenas alguns graus acima do zero absoluto, fornecendo o refrigerante para o acelerador. Foto: Greg Stewart, SLAC
“O resfriamento foi um processo crítico e teve que ser feito com muito cuidado para evitar danos aos criomódulos”, disse Andrew Burrill, diretor da Diretoria de Aceleradores do SLAC. “Estamos empolgados por termos alcançado esse marco e agora podemos nos concentrar em ligar o laser de raios-X”.
Dando vida a isso
Além de um novo acelerador e uma crioplanta, o projeto exigia outros componentes de ponta, incluindo uma nova fonte de elétrons e duas novas cordas de ímãs onduladores que podem gerar tanto raios X “duros” quanto “moles” . Raios-X duros, que são mais energéticos, permitem que os pesquisadores visualizem materiais e sistemas biológicos em nível atômico. Raios-X suaves podem capturar como a energia flui entre átomos e moléculas, rastreando a química em ação e oferecendo insights sobre novas tecnologias de energia. Para dar vida a este projeto, o SLAC se uniu a outros quatro laboratórios nacionais – Argonne, Berkeley Lab, Fermilab e Jefferson Lab – e a Cornell University.
Jefferson Lab, Fermilab e SLAC reuniram seus conhecimentos para pesquisa e desenvolvimento em criomódulos. Depois de construir os criomódulos, o Fermilab e o Jefferson Lab testaram cada um extensivamente antes que os navios fossem embalados e enviados para o SLAC por caminhão. A equipe do Jefferson Lab também projetou e ajudou a adquirir os elementos das crioplantas.
“O projeto LCLS-II exigiu anos de esforço de grandes equipes de técnicos, engenheiros e cientistas de cinco laboratórios diferentes do DOE nos EUA e muitos colegas de todo o mundo”, disse Norbert Holtkamp, vice-diretor do SLAC e diretor do projeto do LCLS- II. “Não teríamos chegado onde estamos agora sem essas parcerias contínuas e a experiência e o comprometimento de nossos colaboradores”.
Rumo aos primeiros raios-X
Agora que as cavidades foram resfriadas, o próximo passo é bombeá-las com mais de um megawatt de potência de micro-ondas para acelerar o feixe de elétrons da nova fonte. Os elétrons que passam pelas cavidades extraem energia das micro-ondas, de modo que, quando os elétrons passarem por todos os 37 criomódulos, estarão se movendo perto da velocidade da luz. Então eles serão direcionados através dos onduladores, forçando o feixe de elétrons em um caminho em ziguezague. Se tudo estiver alinhado corretamente – dentro de uma fração da largura de um fio de cabelo humano – os elétrons emitirão as mais poderosas rajadas de raios-X do mundo.
Este é o mesmo processo que o LCLS usa para gerar raios-X. No entanto, como o LCLS-II usa cavidades supercondutoras em vez de cavidades quentes de cobre com base em tecnologia de 60 anos, ele pode fornecer até um milhão de pulsos por segundo, 10.000 vezes o número de pulsos de raios X para a mesma conta de energia.
Agora que as cavidades foram resfriadas, o próximo passo é bombeá-las com mais de um megawatt de potência de micro-ondas para acelerar o feixe de elétrons da nova fonte. Os elétrons que passam pelas cavidades extraem energia das micro-ondas, de modo que, quando os elétrons passarem por todos os 37 criomódulos, estarão se movendo perto da velocidade da luz. Foto: Greg Stewart, SLAC
Assim que o LCLS-II produzir seus primeiros raios-X, o que deve acontecer ainda este ano, os dois lasers de raios-X funcionarão em paralelo, permitindo que os pesquisadores conduzam experimentos em uma faixa de energia mais ampla, capturem instantâneos detalhados de processos ultrarrápidos, analisem delicados amostras e coletar mais dados em menos tempo, aumentando o número de experimentos que podem ser realizados. Isso expandirá muito o alcance científico da instalação, permitindo que cientistas de todo o país e do mundo busquem as ideias de pesquisa mais atraentes.
Este projeto é apoiado pelo Escritório de Ciência do DOE. LCLS é uma instalação de usuário do DOE Office of Science.
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Assim que o LCLS-II produzir seus primeiros raios-X, o que deve acontecer ainda este ano, os dois lasers de raios-X funcionarão em paralelo, permitindo que os pesquisadores conduzam experimentos em uma faixa de energia mais ampla, capturem instantâneos detalhados de processos ultrarrápidos, analisem delicados amostras e coletar mais dados em menos tempo, aumentando o número de experimentos que podem ser realizados. Isso expandirá muito o alcance científico da instalação, permitindo que cientistas de todo o país e do mundo busquem as ideias de pesquisa mais atraentes.
Este projeto é apoiado pelo Escritório de Ciência do DOE. LCLS é uma instalação de usuário do DOE Office of Science.
- Manuel Gnida, SLAC National Accelerator Laboratory, mgnida@slac.stanford.edu , (650) 926-2632
Nota do editor: Este comunicado de imprensa foi publicado originalmente pelo SLAC National Accelerator Laboratory .
Fonte: FERMILAB / Publicação 10-05-2022
https://news.fnal.gov/2022/05/slacs-superconducting-x-ray-laser-reaches-operating-temperature-colder-than-outer-space/
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Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.
Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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