より強力になる前の世界の究極の X 線装置の内部

クライストロン・ギャラリーは、金属製の円柱が等間隔に散りばめられたコンクリートの廊下で、私の視線を越えるほど長い。しかし、その中に立つと、さらに素晴らしいものが足元に隠れていることがわかります。

クライストロン ギャラリーの下には、3.2 キロメートルにわたって伸びる巨大な金属管、リニアック コヒーレント光源 II (LCLS-II) があります。この機械はカリフォルニアの SLAC 国立加速器研究所にあり、世界の他のどの施設で生成されるものよりも強力な X 線パルスを生成します。最近その記録の 1 つが更新されたため、私はこの装置を訪問しています。ただし、間もなく、その最も強力なコンポーネントがアップグレードのためにシャットダウンされます。おそらく早ければ 2027 年に再起動されると、X 線のエネルギーは 2 倍以上になるでしょう。

「それは、きらめきから電球に変わるようなものになるでしょう」と彼は言います。 ジェームズ・クライアン SLACで。

LCLS-II を単なるきらめきとして説明するのは、非常に控えめな表現です。 2024 年に、これまでに記録された中で最も強力な X 線パルスが生成されました。持続時間はわずか 4,400 億分の 1 秒ですが、原子力発電所の年間平均出力をはるかに上回る、ほぼ 1 テラワットの電力を供給しました。さらに、2025 年には、LCLS-II が 1 秒間に 93,000 個の X 線パルスを生成しました。これは X 線レーザーの記録です。

クライアン氏は、この後者の記録は、研究者がエネルギーを吸収した後の分子内部の粒子の挙動について前例のない調査を行う道を開くものだと述べている。これは、彼らの行動を記録した白黒フィルムを、色彩豊かな鮮明なフィルムに変えることに似ています。この成果と今後のアップグレードの間に、LCLS-II には、光に敏感なシステムの素粒子の挙動についての理解が根本的に改善される可能性があります。 光合成植物、またはより優れた太陽電池の候補。

LCLS-II は、宇宙の究極の速度制限である光の速度に近づくまで電子を加速することで、これらすべてを実現します。私が見た円筒形の装置は、クライストロン ギャラリーの名前の由来となっているクライストロンであり、この加速を達成するマイクロ波を生成する役割を担っています。十分な速度になると、電子は何千もの磁石の列を通過します。磁石の極は、速度を上げた電子が小刻みに動くように注意深く配置されています。これにより、X 線パルスが生成されます。医療用 X 線と同様に、これらのパルスを使用して材料の内部を画像化できます。

訪問当日、私はいくつかの実験ホールのうちの 1 つを見学しました。そこでは X 線が分子に衝突して旅を終えます。私は分子とX線が出会う部屋のいくつかを覗いてみた。それらは未来の潜水艦のようなものです。丸いガラス窓が付いた厚い金属製のシリンダーであり、実験を妨げる可能性のある浮遊空気分子が入らないように、すべて慎重にボルトで固定されています。

クライアンと彼の同僚は、私の訪問の前夜に実験を行い、分子内の陽子の動きを調べました。 X線以外のイメージング方法では、陽子がどのように移動するかを正確に判断するのが難しいが、プロセスの正確な詳細は太陽電池の開発にとって重要である、と彼は言う。

LCLS-II が「高エネルギー」アップグレードを完了して LCLS-II-HE になった後、そのような調査はどうなるでしょうか?分子内の粒子や電荷の挙動を研究する能力は大幅に向上するとクライアン氏は言う。しかし、そこに到達するのは簡単なことではありません。

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ヨーロッパの素粒子物理学センターである CERN に驚かされる準備をしてください。CERN は、魅力的なスイスの湖畔都市ジュネーブの近くに位置し、有名な大型ハドロン衝突型加速器を研究者が運用しています。

ジョン・シュマージ SLAC では、電子ビームのエネルギーが高くなるほど、チームはほんの数個の粒子が道を誤ることを心配する必要があると述べています。同氏は、かつて別の施設で不完全に制御されたビームが機器に穴をあけたのを見たことがあり、誤差が許される余地はほとんどないと語った。 SLACの ディン・ユアンタオ アップグレード中にチームが取り付けるすべての新しい部品は、施設の新しいより高い出力に耐えられるように設計されていますが、段階的に出力を上げて、すべてが意図したとおりに動作していることを確認することが重要であると述べています。 「私たちはビームを点灯し、何が起こるかを注意深く監視するつもりです」と彼は言います。

彼と彼の同僚は、2026 年の大半を費やして、すべての部品を所定の位置に配置するための大規模なエンジニアリングの推進に費やし、その後 1 ～ 2 年にわたってこの段階的なプロセスに向けて部品をセットアップする予定です。すべてが計画通りに進めば、2030 年までに世界中の研究者が LCLS-II-HE を使用できるようになるでしょう。クライアン氏のような X 線を使用する研究者と、シュマージ氏やディン氏のような X 線を制御する研究者との間の会話も大きな役割を果たすでしょう。 「最終的には、これは大きなツールとなり、人々はそれを上手に使用する方法を学ぶでしょう」とシュマージ氏は言います。 「私たちは常に微調整を続けていきます。」