حصلت ترقية جديدة لأقوى ليزر حر للإلكترون بالأشعة السينية في العالم على الضوء الأخضر من قبل وزارة الطاقة، مما يمهد الطريق لنظرة مستقبلية جديدة للعالم على أصغر المقاييس.
ليزر الأشعة السينية هو Linac (اختصار للمسرع الخطي) ومصدر الضوء المتماسك (LCLS) في مختبر المسرع الوطني SLAC في مينلو بارك، كاليفورنيا. مثل المسرعات الخطية الأخرى، تقوم آلة SLAC بتحريك الإلكترونات بسرعة قريبة من سرعة الضوء لتوليد الأشعة السينية التي يمكن بعد ذلك توجيهها إلى عينات مجهرية وقطع معدنية وأشياء صغيرة أخرى للكشف عن كيفية عمل الأشياء على أصغر المقاييس. يمكنك قراءة التفاصيل الكاملة لكيفية عمل LCLS والاطلاع على ما بداخل مسرع الجسيمات هنا.
قبل عام واحد، أعلن SLAC عن أول ضوء في LCLS-II، مما جعل إنتاج المعجل الخطي حوالي مليون نبضة من الأشعة السينية في الثانية، أي أكثر سطوعًا بحوالي 8000 مرة من LCLS. الآن، بدأ العمل رسميًا على LCLS-II-HE (الذي يعني “الطاقة العالية”)، والذي سيعمل على تنشيط مخرجات المسرع من خلال تركيب وحدات تبريد طويلة تحتوي كل منها على ثمانية تجاويف فائقة التوصيل تنتقل من خلالها الإلكترونات.
يقول مايك دون، مدير LCLS، في رسالة بالبريد الإلكتروني إلى Gizmodo: “تنتج كل وحدة تبريد دفعة من طاقة الموجات الميكروية التي تدفع مجموعة الإلكترونات إلى التحرك بشكل أسرع وأسرع (أي اكتساب الطاقة)، مثل ركل كرة متحركة مرارًا وتكرارًا”. وقال: “مقابل كل متر إضافي من وحدة التبريد، سيكتسب شعاع الإلكترون حوالي 24 ميجا فولت من الطاقة الإضافية”. “عندما يتم تجميعها معًا، فإنها تزيد الطاقة من الحد الحالي البالغ 4 جيجا إلكترون فولت (4000 ميجا إلكترون فولت) إلى 8 جيجا إلكترون فولت.”
يعد LCLS-II-HE مشروعًا كبيرًا – مشروع بقيمة 716 مليون دولار – يتطلب التعاون بين عدد قليل من المختبرات الوطنية في الولايات المتحدة لتجاوز الخط. تتكون الترقية بأكملها من 23 وحدة تبريد، تم بناؤها واختبارها بواسطة مختبر فيرمي الوطني للتسريع ومرفق توماس جيفرسون الوطني للتسريع. قام مختبر لورانس بيركلي الوطني ومختبر أرجون الوطني بتصميم الموجات المتموجة التي تمايل الإلكترونات لإنتاج الأشعة السينية. كان مرفق جامعة ولاية ميشيغان لحزم النظائر النادرة شريكًا أيضًا في عملية الترقية الرئيسية.
تم تصنيع حوالي 95% من تجاويف وحدات التبريد حتى الآن، وتم بالفعل تسليم 10 من الحاويات فائقة التوصيل نفسها إلى SLAC. على الرغم من أن وزارة الطاقة أعطت الضوء الأخضر الكامل للمشروع مؤخرًا فقط، إلا أنها وافقت سابقًا على تصنيع وتسليم مكونات LCLS-II-HE.
من الصعب تلخيص جميع التطورات في البحث العلمي التي يمكن أن تحدث مع تطوير LCLS-II-HE، والذي من المتوقع أن يكتمل بحلول عام 2030، على الرغم من أن التجارب يمكن أن تبدأ في أقرب وقت بحلول عام 2027. يمكن للأشعة السينية التي ينتجها الجهاز أن تلتقط أفلام حادة من التفاعلات على المستوى الجزيئي، تكشف كل شيء بدءًا من أسس عملية التمثيل الضوئي وحتى كيفية انتقال المعادن بين المراحل.
وقال دن لموقع Gizmodo إن مقترحات وقت الشعاع لهذا الشهر لـ LCLS غطت مجموعة من المجالات، بما في ذلك علوم المواد والكيمياء والحفز الكيميائي والعلوم الذرية والجزيئية والكمية والفيزياء الفلكية والاندماج والعلوم الحيوية.
شبكة الطاقة، وفهمنا للكون، وأجهزة الكمبيوتر لدينا، والإنترنت – يمكن لمعظم قطاعات الحياة الاستفادة من الأجهزة المحسنة في SLAC. ستستخدم الترقية الجديدة أيضًا التعلم الآلي وطرق الذكاء الاصطناعي الأخرى للمساعدة في ضبط المسرع وتحسين أداء الشعاع وتحليل البيانات التي ينتجها LCLS. سيكون هناك الكثير من البيانات. سيقفز إنتاج الجهاز من حوالي 2 جيجا بايت في الثانية إلى أكثر من 1000 جيجا بايت في الثانية.
“لوضع هذا في السياق، يبلغ حجم الفيلم النموذجي عبر الإنترنت حوالي غيغابايت واحد، وبالتالي سنقوم بمعالجة ما يعادل ألف فيلم في الثانية – حيث نحتاج إلى دراسة التغييرات الدقيقة في كل إطار من كل فيلم – في الوقت الفعلي “، أوضح دن. ولمواجهة ذلك، نقوم بتطوير أنظمة بيانات ذكية يمكنها استخراج المعلومات الأساسية وضغط البيانات إلى أقصى حد ممكن.
مع ما يزيد عن بيتابايت من البيانات التي يتم إنشاؤها يوميًا لتحليل جميع جوانب الكون على المستوى الذري، سيحتاج الفريق إلى أساليب حسابية يمكنها إدارة كل تلك المعلومات.
على الرغم من أن LCLS-II-HE ربما لن يكتمل حتى نهاية العقد، إلا أن الأشعة السينية المعززة يمكن أن تكون قيد الاستخدام في غضون سنوات قليلة فقط. أتمنى أن تكون مستعدًا للمستقبل، فهو سيأتي قريبًا.