ASU の CXFEL 施設の見学: X

C 棟にある ASU のバイオデザイン研究所の地下には、3D プリントされた機械のモデルがあります。 模型の周りには「壊れやすい」「触らないでください」という標識が貼られています。 しかし、マーク・ホールは自分で作ったものなので、とにかくその一部を拾い上げました。

この装置は小型X線光源と呼ばれます。 CXLS はプロトタイプであり、その安定性を確保し、別のモデルである小型 X 線自由電子レーザーを完成させるために実験がまだ行われています。

ホール氏は、CXLS の住宅施設を設計したチームを率い、現在は ASU の CXFEL プロジェクトの主任エンジニアを務めています。 この研究室の目標は、顕微鏡の動的なサンプルで実験を実行し、原子レベルでの動画を生成することです。

科学者たちが最初のX線を生成した2月に、それは大きな節目を迎えた。 わずか 1 か月後、このプロジェクトは全米科学財団から、ASU 史上最大の NSF 研究賞である 9,080 万ドルの研究賞を受賞しました。

階段を降りて装置を見る前に、ホール氏が模型を使って装置がどのように機能するかを説明します。 彼はフォトインジェクター、つまりモデルの頭部にある黄色い部品を手に取り、デモンストレーションを開始しました。

コンパクト X 線光源のモデルは、2023 年 3 月 28 日火曜日に C 棟のバイオデザイン研究所で撮影されました。

「何が起こるかというと、レーザー、つまりUVレーザーが入ってきて、銅の表面である光電陰極に当たるのです」と彼は言う。 「光電効果と呼ばれるものがあり、アインシュタインはこれでノーベル賞を受賞しました。UV ビームを当てると、パフと電子が爆発します。」

次に、電子は、速度を低下させるために真空だけを備えた電場に捕らえられ、光速近くまで加速されます。 電子は、ビームを相互作用点に向けて方向付ける一連の磁石を通って移動します。

電子ビームを曲げて捨てる前に、電子ビームのエネルギー密度を下げる必要があります。

「それらの電子が曲がりくねっているとき、私たちはアークとの接点で交差します。レーザービームを交差するときに電子がどこに行こうと、X線が発生し、電子ビームの接線に進みます」方向です」とホールは言った。「私たちはこれらのX線パルスを取り出します。そして、X線パルスは非常に特別で、非常に純粋で、非常に短いものです。パルスが非常に短い場合、X線はサンプルに入って消えてしまう可能性があります。」

次に、電子はダンプに置かれ、X 線が送信されて、実行されている実験内の分子が画像化されます。 一方、実験中に生成される放射線は、6フィートのコンクリート基礎と内蔵のファラデーケージのおかげで金庫室に閉じ込められます。

3月14日の国営通信社との会談で、ASUのマイケル・クロウ学長は、この機器は「（大学の）競争力のさらなる証拠だ。（NSFからの）助成金は国家科学委員会の投票が必要だった」と述べた。

「私たちは、あそこに建設しなければならなかった特別な部屋を含めて、すでにこのプロジェクトに8,000万ドルを投資していました」と彼は語った。 「あそこに行くと、壁の厚さは3フィートほどで、鉛で満たされています。なぜなら、レーザーを惑星の核への扉から出させることはできないからです。そして、ご存知のとおり、ソーがやって来ます」そこから出て。」

ホールは私たちを長い階段を下り、CXFEL 研究所が入っているフロアまで案内します。 これは、X 線光源技術に詳しくない場合は見落とされる可能性があるユニークな偉業です。 他の場所でも同様のシステム地下約30フィートに建設され、数マイルにわたって稼働します。 これに対し、CXLS の占有面積は約 5,000 ～ 6,000 平方フィートです。

CXLS とそれ以降のモデル CXFEL は、より大型の X 線レーザーに代わるものではありません。 その代わりに、光源イメージングを新たな分野に拡張し、研究者にこれまで以上に鮮明な顕微鏡サンプルの動的画像を提供します。

小型 X 線光源の一部。2023 年 3 月 28 日火曜日、C 棟のバイオデザイン研究所で撮影。

ホールが私たちに案内した最初の部屋は、ハッチ 1 制御室です。そこでは、プロジェクトの主任科学者であるウィリアム・グレイブスと学生たちが稼働し、ビームの安定性をテストしています。 これを行うために、部屋の多くのモニターはライブ データ フィードと制御ボード専用になっています。

「今日の早朝、大きな部品の1つが戻ってきて、再び動作するようになりました。現在、高エネルギー状態にあり、電子ビームを完全な稼働状態に戻しています」と大学院研究室兼研究員のタリン・ブラウン氏は語った。材料科学と工学を研究するアシスタント。

ブラウン氏とグレイブス氏は、電子が当たると光るシンチレータースクリーンと呼ばれるものを監視している。 彼らは、機械のさまざまな磁石を変更することでビームの配置を調整します。

制御室の壁の反対側には研究者たちが実験を行うハッチがあります。

この研究室は 2016 年に設計され、2017 年から 2018 年にかけて建設されました。ホール氏は、そのプロセスは「飛行中の飛行機を組み立てる」ようなものだと言いました。 ホール氏によると、研究室の大部分を支える6フィートのコンクリートは、100台のセメントトラックによって一晩で注入されたという。

CXLS の大部分が収容されている保管庫に移動すると、制御室のチームはビームの実行を停止し、安全のために部屋の放射線レベルをスキャンした後、グレイブス氏が装置を間近で見せてくれました。

小型 X 線光源の制御に使用されるコンピューターの写真。2023 年 3 月 28 日火曜日、C 棟のバイオデザイン研究所で撮影。

加速器と磁石を指して、彼は次のように説明します。「銅の部分（加速器）がエネルギーを変化させます。物理学用語では、エネルギーと磁場の変化が何の仕事もできないことは有名なので、銅の部分が仕事をすると言えます。」 , したがって、加速も減速もできませんが、方向を変えることはできます。」

グレイブスは、学部生で加速器を初めて知ったとき、加速器が物理学の教科書の後ろの問題を超えて進歩しているのは素晴らしいことだと考えました。 現在、彼は改良された CXFEL モデルに取り組むことを楽しみにしています。

「CXFELはこれまでに作られたことがなく、非常にエキサイティングです」とグレイブス氏は語った。 「見た目はまったく同じになります。同じ銅と黄色の磁石と赤い磁石の 3 つの部分ですが、中身以外は少し異なり、銅の内部の形状も微妙に変化します。」

同研究室は今年後半に、CXLSを使用した研究の提案の受け付けを開始する予定だ。 グレイブス氏によれば、この機械は原子スケールで反応を観察できるほど強力である可能性があるという。

「生化学では、分子反応の動画が必要になります。そして、量子材料では、私たちが作ろうとしている完全にコヒーレントな光で起こる、本当に微妙な効果があります」とグレイブス氏は語った。 「私たちは、これまでに行われたことのない方法でそれらを調査できると考えています。そして、私たちは可能なことの量子の限界に達するでしょう。」

アニー・グラツィアーノ、レーガン司祭、パイパー・ハンセンが編集。

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