بدء العمل في قسم الطاقة بمختبر SLAC من أجل بناء تحديث رئيس لليزر أشعة سينية فريد من نوعه، سيضيف المشروع مولد أشعة سينية ليزرية ثانٍ يفوق السطوع الذي يعطيه الأوّل بمعدّل 10 آلاف مرّة، ويتميّز بسرعة إطلاق تصل إلى مليون نبضة في الثانية وتفوق الأول بثمانية آلاف مرة.
سوف يعمل المشروع المعروف باسم LCLS-II على إحداث زيادة هائلة في قوة وقدرة مصدر الضوء المتماسك الخاصّ بالمسرّع الخطّي التابع لمختبر التسريع الوطني SLAC، وذلك من أجل إجراء تجارب تساعد في شحذ نظرتنا نحو الكيفية التي تعمل بها الطبيعة على مستوى الذرة وبمقاييس زمنية فائقة السرعة.
يقول مدير المشروع مايك دن إنّ هذا المشروع سوف ينقل علم الأشعة السينية لمستوى آخر، فاتحًا الباب أمام مرحلة جديدة كليًا من الدراسات التي ستبحث حول الأجسام فائقة السرعة وفائقة الصغر، مما سينهض بمقدرتنا على تطوير تقنيات تحويلية من أجل المستقبل؛ بما يشمل العمل على الإلكترونات المبتكرة والعقاقير المنقذة للحياة وإيجاد حلول مبتكرة للطاقة.
ويقول مدير مختبر SLAC تشاي تشانغ كاو: مختبرنا لديه ماضٍ طويل في بناء وتشغيل مصادر الأشعة السينية الأساسية والتي تساعد المستخدمين من مختلف أنحاء العالم على متابعة أحدث الأبحاث العلمية في مجالات الكيمياء وعلم المواد والبيولوجيا وأبحاث الطاقة.
مجهر الأشعة السينية الفائق
حين افتتح هذا المشروع قبل ست سنوات بصفته واحدًا من الملحقات العلمية لمكتب وزارة الطاقة الأمريكية، شكّلَ مصدر الضوء الأوّل من نوعه من حيث كونه مجهر أشعة سينية فريد يستخدم أشدّ نبضات الأشعة السينية سطوعًا وأسرعها ترددًا لتقديم تفاصيل غير مسبوقة في عالم الذرة.
يستخدم آلاف العلماء هذا المشروع سنويًا لالتقاط نظرة حول عمليات الطبيعة الأساسية بتفاصيلها الفريدة، وتكشف حركة الجزيئات كيفية تكون الروابط الكيميائية وتفككها، من خلال اللقطات فائقة السرعة التي تلتقط الشحنات الإلكترونية وهي تعيد ترتيبها داخل المواد مغيّرةً من خصائصها، بالإضافة إلى الصور ثلاثية الأبعاد التي تصوّر بروتينًا مرتبطًا بمرض ما، والتي تزوّدنا بمعلومات تفصيلية على مستوى الذرّة، مما قد يضع بأيدينا مفتاحًا للكشف عن العلاجات المحتملة لهذا المرض.
سيعمل ليزر الأشعة السينية الجديد جنبًا إلى جنب مع الموجود سابقًا، ويشغل كل منهما ثلث قناة مصفوفة المسرّع التي يبلغ طولها الميلين، وسيتيح عملهما معًا للباحثين تسجيل ملاحظاتهم على ناطق أوسع من الطاقة، الحصول على لقطات تفصيلية لعمليات سريعة، استكشاف عينات دقيقة لا تستطيع مصادر الضوء الأخرى الوصول إليها، جمع بيانات أكثر في وقت أقل، مما يعني زيادة كبيرة في عدد التجارب التي يمكن أداؤها في هذه المنشئة الرائدة.
يبدي أحد المشاركين في قيادة دراسة LCLS الدكتور بيتر ويب من جامعة براون حماسًا شديدًا لاستخدام الإمكانيات الجديدة لهذا التحديث في الأبحاث، موضحًا أنّ هذا التحديث سيكون له فوائد متنوعة على مستوى تجارب الأشعة السينية، واستخدمت هذه الدراسة تشتّت الأشعة السينية من أجل متابعة التغيرات الهيكلية فائقة السرعة مثل تلك التي تحدث في جزيئات الغاز الحلقية التي تنفجر في تفاعل كيميائي يلعب دورًا حيويًا في الكثير من الظواهر الطبيعة، ويضيف د. ويب أن مشروع الليزر الجديد LCLS-ll سيمكنهم من التركيز أكثر على حركة الذرات التي تساعد في فهم ديناميكيات هامة في التفاعلات الكيميائية.
قفزة هامه في أداء ليزر الأشعة السينية
شأن المنشأة الموجودة؛ سيستخدم مشروع LCLS-ll الإلكترونات المسرّعة إلى ما يقارب سرعة الضوء لتوليد شعاع ليزر شديد السطوع، وهو الأمر الذي يجري من خلال إطلاق إلكترونات تطير عبر سلسلة من المغانط التي تجبرها على الحركة بمسار متعرج وإطلاق الطاقة على شكل أشعة سينية، لكن طريقة تسريع هذه الإلكترونات في هذا التحديث ستكون مختلفة نوعًا ما، مما يعطي مشروع LCLS-ll إمكانيات مختلفة.
في الوقت الحاضر؛ يجري تسريع الإلكترونات أثناء هبوطها داخل أنابيب نحاس تعمل في درجة حرارة الغرفة، مولّدةً بذلك ليزر أشعة سينية يوفّر 120 نبضة بالثانية.
سيقوم طاقم العمل بتثبيت مسرع فائق التوصيل، ويوصف بأنّه فائق التوصيل لأن الفقد في توصيل تجاويف معدن النيوبيوم يقارب الصفر عند تبريده لدرجة 456 فهرنهايت تحت الصفر، ويسمح تسريع الإلكترونات عبر سلسلة من هذه التجاويف بتوليد شعاع ليزر شبه مستمر بتردد يزيد عن مليون نبضة في الثانية ويفوق في معدل سطوعه النسخة الأولى من المشروع بما يقارب 10 آلاف مرة.
شراكة قوية لأجل مستقبل لامع لعلم الأشعة السينية
بالإضافة للمسرع الجديد، يتطلب مشروع LCLS-ll كمًا من المكونات المطورة والحديثة بما في ذلك مصدر إلكترونات جديد، مولدتي تبريد قويتين لتبريد تراكيب النيوبيوم، وسلسلتي مغانط لتوليد الأشعة السينية.
لتحيق هذا التحديث، ضم مختبر SLAC أربع مختبرات محلية للعمل معه ضمن الفريق، ويقدم كل فريق مساهمة أساسية لتخطيط المشروع ومكونات التصميم والاستحواذ والبناء.
في مارس، وافقت وزارة الطاقة الأمريكية رسميًا على بناء مشروع بقيمة مليار دولار، ويعمل مختبرSLAC الان على إخلاء الثلث الأول من المسارع الخطي من أجل خلق مكان للمسرع فائق التوصيل، والذي سيتم تشغيله حوالي عام 2020، في الوقت الراهن سيتابع LCLS تقديم خدماته في مجتمع علم الأشعة السينية.
يقول دن: مع المضي قدمًا في بناء التحديث القادم، سيمتلك مختبر SLAC منشأة ليزر أشعة سينية قادر على إنجاز نتائج ثورية لأبحاث تستغرق سنوات.
