Министерство энергетики США одобрило модернизацию LCLS (Linac Coherent Light Source), самого мощного в мире рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Этот проект стоимостью $716 млн позволит учёным исследовать процессы в атомном масштабе с беспрецедентной точностью и решать фундаментальные вопросы в области хранения энергии, катализа, биологии, материаловедения и квантовой физики.

После завершения модернизации LCLS-II-HE, которая удвоит энергию электронного пучка, выходящего из сверхпроводящего ускорителя электронов, максимальная энергия рентгеновского излучения увеличится более чем вдвое, а средняя яркость рентгеновского излучения для высокоэнергетических рентгеновских лучей увеличится в 3000 раз.

«Эта высокоэнергетическая модернизация LCLS укрепляет позицию лаборатории как мирового лидера в рентгеновской и сверхбыстрой науке. Благодаря критической поддержке Управления науки Министерства энергетики и наших партнерских лабораторий модернизация, когда она будет завершена, откроет новые возможности для научных открытий и инноваций», — сказал директор лаборатории SLAC Джон Саррао.

Новый сверхпроводящий ускоритель, созданный в рамках модернизации LCLS-II, состоит из 37 криогенных модулей, которые охлаждаются до -456°F. Криомодули были разработаны Национальной ускорительной лабораторией Ферми (Fermilab) Министерства энергетики США, которая сотрудничала с Национальным ускорительным комплексом Томаса Джефферсона (Jefferson Lab) для совместного проектирования и тестирования.

Криомодуль LCLS-II-HE Jefferson Lab был украшен и доставлен в честь Дня Святого Патрика 5 марта 2024 года. Источник: Jacqueline Ramseyer Orrell / SLAC National Accelerator Laboratory 

SLAC снова объединился с этими национальными лабораториями, а также с Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) в Университете штата Мичиган, для проекта модернизации LCLS-II-HE. Fermilab и Jefferson Lab создают и тестируют набор из 23 новых криомодулей, каждый из которых содержит восемь сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, реализующих новейшие технологии для повышения производительности.

Высокоэнергетическая модернизация будет использовать существующий жёсткий рентгеновский ондулятор, а SLAC снова будет сотрудничать с Berkeley Lab для модификации мягкого рентгеновского ондулятора таким образом, чтобы их можно было использовать одновременно с новым пучком.

Изготовление и поставка криомодулей уже идут полным ходом, и на сегодняшний день изготовлено около 95% полостей, а в SLAC доставлено 10 криомодулей. Испытания показывают, что они должны достичь уровня производительности, по крайней мере, в полтора раза превышающего уровень криомодулей, произвёденных для модернизации LCLS-II.

«Командная работа и сотрудничество являются движущей силой революционных достижений в технологии XFEL, позволяя проводить беспрецедентные исследования атомных и молекулярных структур в сверхбыстрые сроки», — сказал директор проекта LCLS-II-HE Грег Хейс.

Модернизация LCLS-II-HE позволит глубоко проникнуть в динамику атомного уровня. Решения в областях чистой энергии, устойчивого развития, передового производства и здоровья человека зависят от трансформации прогностического понимания и способности контролировать материалы и устройства в фундаментальных и в больших масштабах, которые определяют, как они функционируют.

Например, с жёсткими рентгеновскими лучами и более высокой чувствительностью учёные смогут заглянуть в твёрдые и жидкие системы, чтобы изучить молекулы и наноматериалы. Эта способность имеет важное значение для разработки новых идей для возобновляемой энергии и катализаторов, чтобы помочь разработать эффективные системы для устойчивого производства, хранения энергии и преобразования солнечной энергии в безуглеродное топливо и электричество.

В области биомедицинской науки необходимо гораздо более глубокое понимание, связывающее структурную эволюцию биомолекулярной системы с её функцией. Это имеет значение для здоровья человека и биобезопасности, а также для информирования о синтетических подходах для использования биохимических подходов для зеленых промышленных, сельскохозяйственных и энергетических решений.

Благодаря обновлению LCLS сможет картировать полный спектр движений биологических образцов по мере их функционирования — и впервые делать это в физиологически значимых средах, что будет способствовать разработке новых целевых фармацевтических препаратов, которые смогут более эффективно лечить заболевания.

Модернизация предоставит инструменты высокого разрешения для изучения поведения новых типов материалов и квантовых систем, что позволит разработать поколение сверхбыстрых компьютеров и систем связи, а также значительно сократить потребление энергии в центрах обработки данных и повысить энергоэффективность электронных устройств.

Расширенный LCLS также будет продвигать машинное обучение, генерируя высококачественные данные, которые могут быть использованы для обучения более точных моделей и ускорения научных открытий — более петабайта данных в день. Он позволит проводить предиктивное моделирование, автономные эксперименты и разрабатывать новые алгоритмы.

Ученые смогут визуализировать движение материалов, химических систем и биологических комплексов на атомном уровне.