Peningkatan Ultimate untuk Accelerator Partikel Synchrotron di National Lab


Setiap hari, dalam lusinan sinkrotron di seluruh dunia, elektron berputar-putar dalam cincin penyimpanan melingkar untuk memprovokasi mereka agar memancarkan sinar-X, berguna untuk pencitraan bahan, mengidentifikasi produk reaksi kimia dan menentukan struktur kristal. Tetapi para ilmuwan foton tidak menginginkan sembarang cincin penyimpanan lama

Setiap hari, dalam lusinan sinkrotron di seluruh dunia, elektron berputar-putar dalam cincin penyimpanan melingkar untuk memprovokasi mereka agar memancarkan sinar-X, berguna untuk pencitraan bahan, mengidentifikasi produk reaksi kimia dan menentukan struktur kristal.

Tetapi para ilmuwan foton tidak menginginkan sembarang cincin penyimpanan lama. Selama lebih dari satu dekade, mereka telah memimpikan cincin penyimpanan 'pamungkas' - cincin yang menggunakan magnet khusus untuk menghasilkan sinar-X yang terfokus seketat teori.

Sekarang, para peneliti di synchrotron AS terbesar, Advanced Photon Source (APS) di Argonne National Laboratory di Illinois, mengambil langkah-langkah untuk mengembangkan teknologi ini. Dalam prosesnya, mereka berharap dapat melompati beberapa fasilitas internasional yang memiliki awal yang baik.

Di Swedia, teknologi ultimate-storage-ring dipelopori di MAX IV, sebuah sinkrotron lingkar 528 meter di Lund. Para ilmuwan di sana pertama-tama berupaya meningkatkan intensitas dan kecerahan sinar-X synchrotron pada tahun 2006 dengan memfokuskan berkas elektron lebih rapat. Desain bergantung pada kelompok tujuh magnet, yang dikenal sebagai multi-tikungan Achromats, yang dapat digunakan di sebanyak 20 tempat di sekitar cincin untuk mendorong jalur elektron bolak-balik sampai mereka berbaris lebih atau kurang sempurna. Direktur mesin Mikael Eriksson mengenang bahwa ketika ia melakukan tur keliling sumber cahaya AS untuk menggambarkan proyek tersebut, "sedikit yang percaya".

Eriksson sekarang memiliki orang percaya. Dalam sebuah laporan yang diposting online pada tanggal 29 Agustus, para peneliti di lab Argonne menggambarkan bagaimana mereka berharap untuk meningkatkan APS 1, 1 kilometer keliling dengan achromats multi-tikungan (lihat go.nature.com/asxrqb). “Ada teknologi baru yang muncul dan cukup revolusioner, ” kata direktur APS Brian Stephenson. Cincin penyimpanan saat ini memiliki paling banyak achromats bengkok ganda, yang mengandung dua magnet daripada tujuh. Para fisikawan telah berpikir bahwa memasukkan lebih banyak magnet akan membuat balok tidak stabil dengan menekuknya terlalu banyak dan menyebabkan fluktuasi yang terlalu banyak. Tetapi pekerjaan di MAX IV menunjukkan bahwa magnet yang sangat kompak memungkinkan jalur lentur yang cukup pendek untuk menghentikan fluktuasi dari penumpukan.

Departemen Energi AS, yang mendanai APS, masih perlu menyetujui rencana tersebut. Pada bulan Juli, salah satu komite penasihat departemen menyarankan bahwa laboratorium AS tertinggal sementara negara lain mendorong ke arah cincin penyimpanan utama. Komite juga merekomendasikan untuk mengejar laser sinar-X generasi berikutnya, yang berguna untuk membuat 'film molekuler' dari reaksi kimia, antara lain (lihat Nature 500, 13-14; 2013). Tetapi laser semacam itu akan memiliki keterbatasan: pulsa cahaya yang memuncak dengan kuat akan menghancurkan bahan-bahan halus. Cincin penyimpanan utama, sebaliknya, memenuhi kebutuhan akan pulsa cahaya yang memuncak secara bertahap.

SUMBER: DEPARTEMEN ENERGI / BESAC AS; MAX IV

Para peneliti mengatakan bahwa cincin penyimpanan ini dapat merevolusi pencitraan sinar-X dengan memungkinkan memetakan proses kimia yang berkembang. Sumber sinar-X saat ini tidak cukup terang untuk melacak perubahan bahan dengan nanometer dan resolusi nanodetik, karena tidak ada cukup foton terkoordinasi dalam sinar. Cincin penyimpanan utama akan mengubahnya. "Seluruh kelas masalah baru terbuka, " kata Paul Evans, seorang ilmuwan materi di University of Wisconsin-Madison. Sebagai contoh, ia mengatakan bahwa cincin itu dapat digunakan untuk menyelidiki apa yang terjadi secara kimia dan listrik pada antarmuka antara bahan-bahan di dalam baterai saat habis.

APS sedang berupaya untuk memasang pemasangan teknologi cincin-penyimpanan-akhir pada peningkatan terpisah yang telah disetujui. Perhitungan biaya masih berlangsung, tetapi Stephenson berharap bahwa achromats multi-tikungan dapat dimasukkan tanpa menaikkan anggaran upgrade jauh di atas US $ 391 juta. MAX IV menerapkan teknologi hanya untuk 340 juta kronor Swedia ($ 52 juta), tetapi cincin itu lebih kecil dan label harganya tidak akan termasuk biaya overhead yang dibebankan pada laboratorium departemen energi AS.

Setelah upgrade, APS dapat melampaui MAX IV dengan mendekati batas teoritis untuk sinar yang paling fokus. Synchrotron Swedia akan berisi 20 achromats multi-tikungan, sedangkan pemutakhiran APS membutuhkan sekitar 40. Pada 2012, fisikawan di SLAC National Accelerator Laboratory di Menlo Park, California, menunjukkan bahwa jumlah achromats multi-tikungan di sekitar cincin yang lebih besar dapat mendorong lebih tinggi tanpa mendestabilisasi berkas elektron secara fundamental. "Kuncinya adalah membuat lengkungan menjadi lembut, " kata Yunhai Cai, kepala fisika balok di SLAC.

Bersamaan dengan APS, Fasilitas Radiasi Synchrotron Eropa (ESRF) di Grenoble, Prancis, juga memilih untuk pemutakhiran multi-tikungan-achromat, setelah sebuah kelompok kerja menyimpulkan Oktober lalu bahwa teknologinya terjangkau. Direktur Jenderal ESRF Francesco Sette mengatakan bahwa fisikawan akselerator di sana menunjukkan bahwa multi-tikungan Achromats dapat bekerja dengan injektor yang ada di fasilitas itu, bagian dari mesin yang memasok elektron ekstra ke cincin utama beberapa kali setiap hari. Dia sebelumnya berpikir bahwa injektor baru akan diperlukan. "Kami hari ini dalam ayunan penuh untuk meluncurkan sesegera mungkin, " katanya.

Cincin penyimpanan di Brasil dan Jepang juga akan ditingkatkan dengan achromats multi-tikungan, memberi MAX IV jendela hanya satu tahun dari tanggal penyelesaian yang diproyeksikan 2015 sebelum menghadapi persaingan (lihat 'Balok terfokus').

Beberapa orang berpendapat bahwa terowongan partikel-fisika, pada akhirnya, dapat diubah menjadi sumber cahaya dengan achromats multi-tikungan. SLAC memiliki terowongan keliling 2, 2 kilometer yang menganggur yang awalnya menampung akselerator partikel yang digunakan untuk membandingkan tingkat peluruhan materi dan antimateri. Dan terowongan sepanjang 6, 3 kilometer yang digunakan oleh akselerator partikel Tevatron yang sekarang ditutup di Fermilab dekat Batavia, Illinois, adalah kandidat lain untuk konversi. Eriksson mengatakan bahwa membangun cincin penyimpanan pamungkas sebesar itu tidak akan realistis untuk Swedia, mengingat ukuran relatif dari anggaran sainsnya.

Dia tahu bahwa waktu Swedia di garda depan akan berumur pendek, dan memiliki perasaan campur aduk melihat negara lain mengadopsi teknologi yang dia dan rekan-rekannya dirintis dengan sangat antusias. "Kami berdua senang dan sedikit menyesal, " katanya.

Artikel ini direproduksi dengan izin dari majalah Nature . Artikel ini pertama kali diterbitkan pada 10 September 2013.

NASA Mempersiapkan Satelit untuk Menyelidiki Matahari - Luar dan DalamTemperatur Naik Terikat Mekar Bunga SebelumnyaNASA Mengatakan Perklorat Tidak Mengesampingkan Kehidupan di MarsKekurangan Makanan dan Air Dapat Membuktikan Risiko Utama Perubahan IklimThe Greatest Vanishing Act di Prasejarah AmerikaSponge Molecular untuk Limbah NuklirPencakar Langit Kuno - Tsunami Tinggi Meminta Khawatir tentang Risiko Saat IniSensor Sentuh Sekarang Dapat Meniru Deteksi Kulit Kita tentang Peregangan dan Memutar