Un nou început pentru un accelerator linear. Cum Stanford Linear Accelerator Center transformă cel mai mare accelerator linear într-un nou laser de raze X. După ce trec de 40 de ani de viaţă, echipamentele stiinţifice tind să trăiască doar în debarale, depozite de reclare sau, ocazional, la vreun muzeu. Spre deosebire de aceasta, acceleratorul linear de la Stanford, lung de 3 kilometrii şi construit în 1966, ajunge abia la mijlocul vieţii lui.

Acceleratorul linear de lumină coerentă, la ora actuală în construcţie la Stanford Linear Accelerator Center, începe cu un accelerator linear la care se adaugă noi secţiuni pentru a construi un laser de raze X. 

Încă făcând ceea ce ştie mai bine să facă, anume să accelereze fascicule de electoni până aproape de viteza luminii, acceleratorul linear sau “linac”-ul, aşa cum îi spun prietenii va începe o nouă etapă a vieţii lui.  Ca sursă de electoni pentru un nou tip de laser va fi capabil vadă materiale, atomi şi moleculele într-o modalitate complet nouă, iluminând noi perspective în domenii ca energia nepoluantă, medicină, nanotehnologie şi geofizică.

Linac are deja un istoric impresionant. În capul listei, fără nicio îndoială, sunt cele trei premii Nobel la câştigarea cărora a ajutat. A contribuit la efectuarea unei game largi de experimente din fizica particulelor, astrofizică, ştiinţa fotonilor, fizica nucleară a energiilor înalte. Deţine, de asemenea, o serie de recorduri, precum de cel mai lung accelerator linear şi de primul accelerator linear construit.

Echipe de ingineri, constructori, fizicieni şi proiectanţi pregătesc acceleratorul linear pentru o misiune complet nouă, anume producţia de electroni pentru un laser de raze X, puternic, inovativ, numit Linac Coherent Light Source (LCLC, Surse de lumină corentă cu ajutorul unui accelerator linear). Profitând de această oportunitate, “linac”-ul se aşează în domeniul surselor intense de lumină şi în viitorul laboratorului Standford Linear Accelerator Center (SLAC) ca o piesă importantă. Săpăturile şi alte costrucţii civile importante vor începe în noul an fiscal, însă există deja semne evidente că a început construirea lui LCLS la SLAC.

 "SLAC are un avantaj uriaş. Avem acceleratorul linear. Economisim sute de milioane de dolari şi avem infrastrucura şi expertiza laboratorului înşuşi."

Electroni liberi

LCLS va acţiona ca sursă de lumină într-un proces format din două etape. În prima etapă va creea fascicule foarte mici şi foarte focalizate de electoni bine, de genul acelora pe care doar acceleratoarele liniare le pot produce. Apoi, în a doua etapă, aceste fascicule de electroni vor fi folosite pentru a creea raze X de intensitate, durată şi coerenţă necesare experimentelor.
Când LCLS începe să funcţioneze, va produce o nouă sursă de lumină numită “free electron laser” (FEL, lasere cu electroni liberi). Laserele FEL existente momentan operează cu lungimi de undă începând de la infraroşu (energie mică) până la raze X (energie mai mare). Spre deosebire de ele, LCLS va fi primul care va opera la cele mai mari lungimi de undă caracteristice razelor X dure, nivel ideal pentru a studia mişcările rapide ale atomilor şi moleculelor. Va folosi fasciculele de electroni de forme bine definite ale acceleratorului linear, iar electronii sunt “liberi” în sensul că nu fac parte din atomi. Astfel LCLS va crea pulsuri de lumină cu o durată de ordinul a numai câteva milionimi de miliardimi de secundă, foarte luminose şi coerente ca la un laser, cu toate lungimile aliniate în concordanţă de fază.

Schiţa unui nou dispozitv subteran care va extinde «linac»-ul pentru a creea LCLS-ul. Sursa: Mulţumiri fotografiei proiectului LCLS, SLAC.

Mulţumită  "linac"-ului, aceste pulsuri uimitor de utile vor fi produse curând, în anul 2009. “SLAC are un avantaj uriaş. Avem “linac”-ul. Economisim sute de milioane de dolari şi avem infrastructura şi expertiza laboratorului înşuşi”, spune John Arthur, director de sisteme pentru fotoni la LCLS. Chiar făcând aceste economii, LCLS rămâne un proiect costisitor, la care Departamentul Oficiului de Stiinţă a Energiei contribuie cu aproximativ 400 milioane de dolari.

În loc de a porni construcţia de la zero, laboratorul economiseşte, de asemenea, ani din timpul de construcţie. Partenerii LCLS, inclusiv Advanced Photon Source de la Laboratorul Naţional Argonne, Laboratorul Naţional Lawrence Livermore şi Universitatea din California, Los Angeles, proiectează şi construiesc unele din părţile esenţiale, cum ar fi magneţii ondulatori şi sistemele optice pentru raze X.

Alte câteva proiecte FEL sunt planificate şi construite în lumea întreagă. Laboratorul german DESY a deschis în 2005 un FEL ce operează la lungimi de undă din domeniul ultravioletului îndepărtat şi al razelor X moi şi plănuieşte deschiderea unui FEL ce operează cu raze X tari în 2012. În Japonia, Spring-8 a început construirea unei FEL de raze X după un prototip ce a funcţionat cu succes în luna iulie, construcţia fiind încheiată în 2010.
 
Renovarea “linac”-ului

Razele X apar după ce electonii prevenind din un injector iniţial de electoni sunt acceleraţi de către linac şi apoi trec o zonă ce le impune o mişcare ondulatorie. Deşi partea din faţă şi cea din spate vor fi în totalitate noi, “linac”-ul necesită, în mod surprinzător, doar puţine schimbări.

Lucrul la renovare începe la un kilometru înainte de capătul celor trei kilometrii ai acceleratorului actual. Aici un nou injector este fost instalat pentru a produce electoni. Încă de la început, fasciculele de electroni sunt mai scurte şi mai focalizate (emitanţă de valoarea scăzută) faţă de cele produse în prezent de injectorul principal al acceleratorului linac.

În noul injector, un laser loveşte o placă de cupru, numită catod, forţând-o să emită electroni.  La fiecare puls al laserului, catodul pierde aproape şase miliarde de electoni. Imediat, noi electroni eliberaţi sunt acceleraţi la o viteză aproape de cea a luminii. De altfel numai la astfel de viteze mari electronii rezistă aşa apropiaţi unii de alţii, în mod normal ei respingându-se reciproc. Noile structuri de accelerare oferă energie electonilor simetric în cele două părţi. Asemenea controlului unei mingi de fotbal folosind două picioare în loc de unul, această coordonare dublă păstrează fasciculele de electroni mult mai bine focalizate şi gata pregătite pentru accelerare în “linac”.
 
“Avem nevoie de o fascicul de electroni de calitate. Totul este proiectat pentru a pune electronii într-un volum foarte mic şi pentru a-i reţine acolo," afirmă Arthur. Este nevoie de un grup dens de electoni care să se mişte în aceeaşi direcţie pentru a-i face să de comporte asemănător unui laser.

Echipa a terminat construcţia clădirii care găzduieşte noul injector în luna mai. Laserul coordonator a sosit din Franţa în luna iulie.

Compresarea

Urmând electronii din aval, cea mai mare schimbare la “linac” are loc aproape imediat, unde compresoarele de fascicule vor compresa electronii în pachete încă şi mai mici.

În cursul acestui an şi al următorului, în timpul închiderilor deja planificate pentru întreţinere, muncitorii vor muta 39 de metrii din structura acceleratorului existent pentru a face loc pentru două compresoare de fascicule. Primul compresor va îndrepta fasciculul către o serie de magneţi pentru a compresa fiecare fascicul de electroni de la o lungime de un milimetru la 200 microni (o cincime dintr-un milimetru).  

Problema apare la al doilea compresor de fascicule, unde fasciculul este compresat de 10 ori, la 20 microni. Aici este punctul în care experimentele din fizica particulelor devin urâte.

Când un fascicul de electroni îşi schimbă direcţia, ca atunci când traiectoria sa este curbată de către un magnet, electronii emit lumină numită radiaţie de tip sincroton. Dacă aceea lumină este emisă în fază şi nu aleator, atunci este numită lumină coerentă.

 “Tocmai pentru a obţine radiaţia coerentă în ondulator (cavitatea laserului), pulsurile de electroni sunt foarte scurte si fasciculele de electroni au emitenţă foarte scăzută în “linac” susţine David Schutz, directorul de sistem pentru electroni la LCLS.

În timp ce emisia de lumina coerentă este ceea ce face laserii atât de puternici şi de utili, aceasta afectează fasciculele de electroni în timp ce traversează “linac”-ul. Pentru a face ca “linac”-ul să aibă exact proprietăţile necesare ulterior pentru a produce fasciculele de raze X, fizicienii fac ca al doilea compresor de fascicule să fie mult mai lung decât primul, aceasta permiţând electronilor să urmeze o cale mai lentă şi să emită mai puţine radiaţii.

 “Radiaţia coerentă de tip sincroton este o problemă pentru toate FEL-urile. Trebuie să o limităm la primul pas şi să o folosim în avantajul nostru la al doilea," afirmă Paul Emma, conducătorea grupului de fizică de la acceleratorul LCLS.

După compresoarele de  fascicule, electronii vor suferi doar puţine schimbări. “Linac"-ul  va accelera electronii de la 4.5 GeV (miliarde de electrovolţi) la 14 GeV în timp ce îi menţine focalizaţi cu noii magneţi. Aceşti magneţi vor putea fi opriţi când "linac"-ul va opera la un nivel mai înalt de energie în cadrul experimentelor de fizica particulelor.

 “Va trebui să putem schimba uşor între vechea şi noua funcţionalitate. Nu dormim să distrugem vechea funcţionalitate,” susţine Emma. Principalul experiment de fizica particulelelor de la SLAC, numit BaBar, va putea funcţiona nestingherit deoarece foloseşte doar primele două treimi ale acceleratorului linear.

Mai multă lumină

Capătul  "linac"-ului nu este şi capătul liniei pentru electoni. Fasciculele, acum lungi de 20 micrometri şi având un diametru de 50 micrometri, vor străbate 500 de metri prin noua conductă către încăperea de ondulare.

Electronii intră în cei 130 de metri de magneţi ondulatori, conţinând 6000 de poli magnetici nord şi sud. Pe măsură ce polii magnetici îşi schimbă sensul, electronii fac o cursă de slalom, emiţând astfel fotoni. Fotonii emişi interferă cu electonii  din fiecare fascicul, forţând electronii să se grupeze în "micro-fascicule". Fiecare micro-fascicul radiază apoi mult-dorita lumină coerentă de raze X cu o lungime de undă de 1.5 angstromi (0.15 miliardimi de metru) .

Într-un ciclu propriu de amplificare caracteristic unui laser, razele X emise stimulează micro-fasciculele să elibereze încă şi mai mulţi fotoni, făcând ca canalul fasiculului să fie umplut cu un fascicul strălucitoar de lumină coerentă formată din raze X.

La capătul sălii de ondulatore, fasciculul de raze X se îndreaptă către zonele unde vor fi folosite pentru experimente, în timp ce electronii sunt trimişi către un “depozit de fascicule”, un recipient de cupru care absoarbe electronii ce odată fiind “liberi”, nu făceau parte din niciun atom.

Cele patru fotografii sunt din animaţia construcţiei laserului intens plecând de la Acceleratorul Linear de la Stanford.Animaţia este creată de Greg Steward, SLAC, căruia îi muţumim. Puteţi viziona acest filmuleţ aici.

Zona de construcţie

Se vor mai adăuga şi alte construcţii în următorii doi ani, înainte ca electronii să se poată aventura dincolo de linac.

David Saenz, director de sisteme pentru instalaţiile clasice, supraveghează modificările: aproape 800 de metri de nou spaţiu pentru clădiri pentru fascicul, deasupra şi în pământ. Se vor  ridica o clădire pentru cercetare şi una pentru birouri  lângă hala experimentală.

Primăvara trecută, o echipă a mutat una din cele mai mici, dar cele mai de succes instalaţii de cercetare, Fasciculul de Test cu Focus Final, pentru a face loc tubului de fascicule înăuntrul căruia se vor deplasa electronii dinspre “linac” înspre ondulator. De asemenea, vor fi mutate mai multe clădiri din Curtea Centrului de Cercetare de la SLAC pentru a face loc.

În Dispozitivul Magnetic de Măsurare, construit în luna aprilie, fizicienii şi tehnicienii au început testarea şi reglarea optimă a celor 33  de magneţi ondulatori individuali care au venit de la Laboratorul Naţional Argonne. LCLS va începe să lucreze cu un accelerator linear, o hală ondulatoare şi şase staţii experimentale. În viitor, “linac”-ul ar putea utiliza două treimi sau chiar toată lungimea sa pentru a aproviziona până la şase săli ondulatorii, şi multe alte staţii experimentale.

În timp ce constucţia principală se pregăteşte, Saenz  afirmă, "O să fie mare distracţie! De abia aştept !" Într-adevăr laboratorul aşteaptă cu nerăbdare următoarea etapă din viaţa "linac"-ului. Conversia spre o sursă de lumină cu raze X face ca acceleratorul de 40 de ani să fie tânăr din nou, urmând ca acesta să-şi desăvârşească misiunea la fel de bine ca şi până acum.

(Tradus de Marinela Spiridon din revista "Symmetry", din septembrie 2006, originalul putând fi găsit aici, autorul fiind Heather Rock Woods.)