Recorriendo las instalaciones de CXFEL de ASU: X

En el Instituto de Biodiseño de ASU en el edificio C, hay un modelo impreso en 3D de una máquina en el sótano. Los letreros alrededor del modelo dicen "frágil" y "no tocar". Pero Mark Holl recoge un trozo de él de todos modos, porque lo hizo él mismo.

El dispositivo se denomina fuente de luz de rayos X compacta. CXLS es un prototipo, y todavía se están realizando experimentos para garantizar su estabilidad y perfeccionar un modelo diferente, el láser de electrones libres de rayos X compacto.

Holl dirigió el equipo que diseñó las instalaciones de alojamiento de CXLS y ahora es el ingeniero jefe del proyecto CXFEL en ASU. El objetivo del laboratorio es realizar experimentos en muestras microscópicas y dinámicas, lo que resulta en imágenes en movimiento a nivel atómico.

Alcanzó un hito importante en febrero cuando los científicos generaron los primeros rayos X. Solo un mes después, el proyecto recibió un premio de investigación de $ 90,8 millones de la Fundación Nacional de Ciencias, el premio de investigación más grande de la NSF en la historia de ASU.

Antes de bajar las escaleras para ver el dispositivo, Holl explica cómo funciona usando el modelo. Recoge el fotoinyector, la pieza amarilla en la cabeza del modelo, y comienza a hacer la demostración.

Se muestra un modelo de la fuente de luz de rayos X compacta en el Instituto de Biodiseño en el edificio C el martes 28 de marzo de 2023.

"Lo que sucede es que el láser, o láser UV, entra y golpea el fotocátodo, una superficie de cobre", dijo. "Hay algo llamado efecto fotoeléctrico, Einstein obtuvo un Premio Nobel por esto, y si golpeas con un rayo ultravioleta, soplas, se produce una explosión de electrones".

Luego, los electrones quedan atrapados en un campo eléctrico con nada más que un vacío para frenarlos, y se aceleran cerca de la velocidad de la luz. Los electrones viajan a través de una serie de imanes que guían y dirigen el haz al punto de interacción.

La densidad de energía del haz de electrones debe reducirse antes de que se doble y se deseche.

"Cuando esos electrones se doblan, cruzamos en un punto de tangencia al arco. Donde sea que vayan los electrones cuando cruzamos el rayo láser, salen los rayos X, y van en la tangente al rayo de electrones". dirección", dijo Holl."Obtenemos esos pulsos de rayos X, y los pulsos de rayos X son muy especiales, muy puros y muy cortos. Cuando son muy cortos, los rayos X pueden entrar en una muestra y desaparecer".

Luego, los electrones se colocan en un vertedero y los rayos X se envían para obtener imágenes de las moléculas en el experimento que se está realizando. Mientras tanto, la radiación producida durante el experimento está contenida en la bóveda, gracias a una base de hormigón de seis pies y una jaula de Faraday incorporada.

En una reunión del 14 de marzo con The State Press, el presidente de ASU, Michael Crow, dijo que el instrumento es "una prueba más de esa competitividad (de la Universidad). Esa subvención (de la NSF) tuvo que ser votada por la Junta Nacional de Ciencias".

"Ya habíamos invertido $80 millones en el proyecto, incluidas las habitaciones especiales que se tenían que construir allí", dijo. "Si vas allí, las paredes tienen un grosor de un metro y están llenas de plomo porque no puedes dejar que esos láseres salgan por la puerta hacia el centro del planeta y luego, ya sabes, Thor viene". fuera de allí."

Holl nos guía por un largo tramo de escaleras hasta el piso que alberga los laboratorios CXFEL. Es una hazaña única que podría pasarse por alto si no está familiarizado con la tecnología de fuente de luz de rayos X. Sistemas similares en otros lugares se construyen alrededor de 30 pies bajo tierra y corren por millas. CXLS ocupa alrededor de 5000 a 6000 pies cuadrados, en comparación.

El CXLS y el modelo posterior, el CXFEL, no reemplazarán a los láseres de rayos X más grandes. En su lugar, expandirán las imágenes de fuentes de luz a un nuevo nicho, brindando a los investigadores imágenes dinámicas más claras de muestras microscópicas que nunca.

Una parte de la fuente de luz de rayos X compacta se muestra en el Instituto de Biodiseño en el edificio C el martes 28 de marzo de 2023.

La primera sala que Holl nos muestra es la sala de control Hutch 1, donde William Graves, el científico jefe del proyecto, y los estudiantes están ejecutando y probando la estabilidad del haz. Para hacer esto, los muchos monitores de la sala están dedicados a las fuentes de datos en vivo y los tableros de control.

"Hoy temprano, recuperamos una de nuestras piezas grandes y está funcionando de nuevo. Estamos con mucha energía en este momento, y estamos haciendo que el haz de electrones vuelva a estar completamente operativo", dijo Taryn Brown, un laboratorio graduado e investigador asistente de estudios de ciencia e ingeniería de materiales.

Brown y Graves están monitoreando lo que se llama una pantalla de centelleo, que brilla cuando los electrones la golpean. Hacen ajustes a la ubicación del haz cambiando los diversos imanes de la máquina.

Al otro lado de la pared de la sala de control está el Hutch, donde los investigadores realizan experimentos.

El laboratorio fue diseñado en 2016 y construido entre 2017 y 2018. Holl dijo que el proceso fue como "construir un avión en pleno vuelo". Los seis pies de concreto que soportan la mayor parte del laboratorio fueron vertidos por cien camiones de cemento en una noche, dijo Holl.

Moviéndose a la bóveda, donde se encuentra la mayoría de CXLS, el equipo en la sala de control deja de ejecutar el haz y, después de un escaneo de los niveles de radiación de la sala por seguridad, Graves nos muestra el instrumento de cerca.

Las computadoras utilizadas para controlar la fuente de luz de rayos X compacta se muestran en el Instituto de Biodiseño en el edificio C el martes 28 de marzo de 2023.

Señalando el acelerador y los imanes, explica: "La parte de cobre (el acelerador) cambia la energía. En términos físicos, diríamos que la parte de cobre hace el trabajo porque el cambio en la energía y los campos magnéticos no pueden hacer ningún trabajo. , por lo que no pueden acelerar o desacelerar, pero pueden cambiar de dirección".

Cuando era estudiante universitario y se introdujo por primera vez en los aceleradores, Graves pensó que era genial que hubieran progresado más allá de los problemas en la parte posterior de un libro de texto de física. Ahora, está deseando trabajar en el modelo CXFEL mejorado.

"El CXFEL, que nunca se ha construido antes, es bastante emocionante", dijo Graves. "Se verá exactamente igual. Las mismas tres piezas de cobre e imán amarillo e imanes rojos, pero todo, excepto las tripas, será un poco diferente, y habrá cambios sutiles en las formas dentro del cobre".

A finales de este año, el laboratorio tiene la intención de comenzar a aceptar propuestas de investigación utilizando el CXLS. Según Graves, la máquina puede ser lo suficientemente potente como para observar reacciones a escala atómica.

"En bioquímica, tomará películas de reacciones moleculares, y luego en materiales cuánticos, hay estos efectos realmente sutiles que suceden con la luz completamente coherente que vamos a hacer", dijo Graves. "Creemos que podemos probarlos de maneras que nunca se han hecho, y estaremos en los límites cuánticos de lo que es posible".

Editado por Annie Graziano, Reagan Priest y Piper Hansen.

Comuníquese con el reportero en [email protected] y siga a @audrey_eagerton en Twitter.

Me gusta The State Press en Facebook y siga a @statepress en Twitter.