Besichtigung der CXFEL-Anlage der ASU: X

Im Biodesign-Institut der ASU in Gebäude C befindet sich im Keller ein 3D-gedrucktes Modell einer Maschine. Auf Schildern rund um das Modell steht „zerbrechlich“ und „nicht berühren“. Aber Mark Holl greift trotzdem ein Stück davon auf, denn er hat es selbst gemacht.

Das Gerät wird als kompakte Röntgenlichtquelle bezeichnet. CXLS ist ein Prototyp, und es werden noch Experimente durchgeführt, um seine Stabilität sicherzustellen und ein anderes Modell zu perfektionieren, den kompakten Freie-Elektronen-Röntgenlaser.

Holl leitete das Team, das die Wohnanlage des CXLS entworfen hat, und ist jetzt Chefingenieur des CXFEL-Projekts an der ASU. Ziel des Labors ist die Durchführung von Experimenten an mikroskopisch kleinen, dynamischen Proben, die zu bewegten Bildern auf atomarer Ebene führen.

Im Februar wurde ein wichtiger Meilenstein erreicht, als Wissenschaftler die ersten Röntgenstrahlen erzeugten. Nur einen Monat später wurde das Projekt von der National Science Foundation mit einem Forschungspreis in Höhe von 90,8 Millionen US-Dollar ausgezeichnet, dem größten NSF-Forschungspreis in der Geschichte der ASU.

Bevor Holl die Treppe hinuntersteigt, um sich das Gerät anzusehen, erklärt er anhand des Modells die Funktionsweise. Er nimmt den Fotoinjektor, das gelbe Teil am Kopf des Modells, und beginnt mit der Demonstration.

Ein Modell der kompakten Röntgenlichtquelle ist am Dienstag, 28. März 2023, im Biodesign Institut im Gebäude C abgebildet.

„Was passiert, ist, dass der Laser oder UV-Laser hereinkommt und auf die Fotokathode, eine Kupferoberfläche, trifft“, sagte er. „Es gibt so etwas wie einen photoelektrischen Effekt, Einstein hat dafür einen Nobelpreis bekommen, und wenn man mit einem UV-Strahl trifft – abstoßen – kommt es zu einem Elektronenstoß.“

Die Elektronen werden dann in einem elektrischen Feld gefangen, in dem sie nur durch ein Vakuum abgebremst werden, und werden auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Die Elektronen wandern durch eine Reihe von Magneten, die den Strahl lenken und zum Wechselwirkungspunkt lenken.

Die Energiedichte des Elektronenstrahls muss gesenkt werden, bevor er gebogen und weggeworfen wird.

„Wenn sich diese Elektronen umbiegen, kreuzen wir sie an einem Punkt, der den Bogen tangiert. Wo auch immer die Elektronen hingehen, wenn wir den Laserstrahl kreuzen, gehen die Röntgenstrahlen aus, und sie gehen tangential zum Elektronenstrahl.“ Richtung", sagte Holl.„Wir erzeugen diese Röntgenimpulse, und die Röntgenimpulse sind etwas ganz Besonderes, sehr rein und sehr kurz. Wenn sie sehr kurz sind, können die Röntgenstrahlen in eine Probe eindringen und wieder verschwinden.“

Die Elektronen werden dann in eine Müllkippe gegeben und die Röntgenstrahlen werden gesendet, um die Moleküle im durchgeführten Experiment abzubilden. Dank eines sechs Fuß hohen Betonfundaments und eines eingebauten Faraday-Käfigs wird die während des Experiments erzeugte Strahlung im Gewölbe eingedämmt.

In einem Treffen mit The State Press am 14. März sagte ASU-Präsident Michael Crow, das Instrument sei „ein weiterer Beweis für die Wettbewerbsfähigkeit der Universität. Über diesen Zuschuss (von der NSF) musste das National Science Board abstimmen.“

„Wir hatten bereits 80 Millionen US-Dollar in das Projekt investiert, einschließlich spezieller Räume, die dort gebaut werden mussten“, sagte er. „Wenn man dort hingeht, sind die Wände etwa einen Meter dick und mit Blei gefüllt, weil man nicht zulassen kann, dass diese Laser durch die Tür zum Kern des Planeten gelangen, und dann, wissen Sie, kommt Thor.“ raus da."

Holl führt uns über eine lange Treppe hinunter zum Stockwerk, in dem sich die CXFEL-Labore befinden. Es handelt sich um eine einzigartige Leistung, die möglicherweise übersehen wird, wenn Sie mit der Röntgenlichtquellentechnologie nicht vertraut sind. Ähnliche Systeme an anderen Standorten sind etwa 30 Fuß unter der Erde gebaut und verlaufen kilometerweit. Im Vergleich dazu nimmt CXLS etwa 5.000 bis 6.000 Quadratfuß ein.

Der CXLS und das spätere Modell, der CXFEL, werden größere Röntgenlaser nicht ersetzen. Stattdessen werden sie die Lichtquellenbildgebung in eine neue Nische erweitern und Forschern klarere dynamische Bilder mikroskopischer Proben als je zuvor liefern.

Ein Teil der kompakten Röntgenlichtquelle ist am Dienstag, 28. März 2023, im Biodesign Institut im Gebäude C abgebildet.

Der erste Raum, den Holl uns zeigt, ist der Kontrollraum von Hutch 1, in dem William Graves, der Chefwissenschaftler des Projekts, und Studenten laufen und die Stabilität des Balkens testen. Zu diesem Zweck sind die zahlreichen Monitore des Raums für Live-Datenfeeds und Steuerplatinen vorgesehen.

„Heute haben wir eines unserer großen Teile zurückbekommen und es funktioniert wieder. Wir sind gerade bei hoher Energie und bringen den Elektronenstrahl wieder auf volle Betriebsbereitschaft“, sagte Taryn Brown, eine Absolventin der Labor- und Forschungsabteilung Assistent im Studium der Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften.

Brown und Graves überwachen einen sogenannten Szintillatorbildschirm, der leuchtet, wenn Elektronen darauf treffen. Sie nehmen Anpassungen an der Platzierung des Strahls vor, indem sie die verschiedenen Magnete der Maschine austauschen.

Auf der anderen Seite der Wand des Kontrollraums befindet sich der Stall, in dem Forscher Experimente durchführen.

Das Labor wurde 2016 entworfen und zwischen 2017 und 2018 gebaut. Holl sagte, der Prozess sei so, als würde man „ein Flugzeug mitten im Flug bauen“. Die sechs Fuß Beton, die den größten Teil des Labors tragen, seien in einer Nacht von hundert Zementlastwagen gegossen worden, sagte Holl.

Als wir uns dem Tresorraum nähern, in dem der Großteil der CXLS untergebracht ist, stellt das Team im Kontrollraum den Strahlbetrieb ein, und nach einem Scan der Strahlungswerte im Raum aus Sicherheitsgründen zeigt uns Graves das Instrument aus der Nähe.

Die Computer zur Steuerung der kompakten Röntgenlichtquelle sind am Dienstag, 28. März 2023, im Biodesign Institute im Gebäude C abgebildet.

Er weist auf den Beschleuniger und die Magnete hin und erklärt: „Der Kupferteil (der Beschleuniger) verändert die Energie. In physikalischen Begriffen würden wir sagen, dass der Kupferteil die Arbeit erledigt, weil die Änderung der Energie und der Magnetfelder bekanntermaßen keine Arbeit leisten kann.“ Sie können also nicht beschleunigen oder abbremsen, aber sie können die Richtung ändern.“

Als er als Student zum ersten Mal mit Beschleunigern in Berührung kam, fand Graves es toll, dass sie über die Probleme hinausgegangen waren, die hinter einem Physiklehrbuch standen. Jetzt freut er sich auf die Arbeit am verbesserten CXFEL-Modell.

„Der CXFEL, der noch nie zuvor gebaut wurde, ist ziemlich aufregend“, sagte Graves. „Es wird genau gleich aussehen. Die gleichen drei Stücke Kupfer und gelber Magnet und roter Magnet, aber bis auf das Innere wird alles ein wenig anders sein, und es wird subtile Änderungen an den Formen im Inneren des Kupfers geben.“

Später in diesem Jahr beabsichtigt das Labor, Vorschläge für Forschungsarbeiten mit dem CXLS anzunehmen. Laut Graves könnte die Maschine leistungsstark genug sein, um Reaktionen auf atomarer Ebene zu beobachten.

„In der Biochemie werden Filme von molekularen Reaktionen gemacht, und dann gibt es in Quantenmaterialien diese wirklich subtilen Effekte, die mit dem vollständig kohärenten Licht auftreten, das wir erzeugen werden“, sagte Graves. „Wir glauben, dass wir sie auf noch nie dagewesene Weise untersuchen können, und wir werden an der Quantengrenze des Möglichen sein.“

Herausgegeben von Annie Graziano, Reagan Priest und Piper Hansen.

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