Сверхпроводящий рентгеновский лазер в Калифорнии достигает температуры ниже, чем в космосе

Ускоритель частиц, который сталкивает электроны вместе здесь, на Земле, достиг температуры ниже, чем в открытом космосе.

Использование рентгеновского лазера на свободных электронах в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики  –  часть проекта модернизации когерентного источника света Linac (LCLS), названного LCLS II  , — ученые охладили жидкий гелий до минус 456 градусов по Фаренгейту (минус 271 градус Цельсия), или 2 кельвина.

Это всего 2 кельвина. выше абсолютного нуля, самая низкая возможная температура, при которой движение частиц прекращается.

Эта морозная среда имеет решающее значение для ускорителя, потому что при таких низких температурах машина становится сверхпроводящей, а это означает, что она может проталкивать электроны через нее всего лишь о нулевой потере энергии.

Даже пустые области космоса не такие холодные, поскольку они все еще заполнены космическим микроволновым фоновым излучением, остатком вскоре после Большого взрыва , который имеет однородную температуру минус 454 F (минус 271 C), или 3 K. 

«Сверхпроводящий ускоритель нового поколения рентгеновского лазера на свободных электронах LCLS-II достиг рабочей температуры на 2 градуса выше абсолютного нуля», – Эндрю Баррилл, директор ускорителя SLAC. Директор сообщил Live Science.

LCLS-II теперь готов начать ускорять электроны со скоростью 1 миллион импульсов в секунду, что является мировым рекордом, добавил он.

«Это четыре на несколько порядков больше импульсов в секунду, чем его предшественник, LCLS, а это означает, что  –  всего за несколько часов  –  мы отправим больше рентгеновских лучей пользователям [которые намерены использовать их в экспериментах], чем LCLS сделал за последние 10 лет «, — сказал Баррилл.

Это одна из последних вех, которую должен выполнить LCLS-II, прежде чем он сможет производить рентгеновские импульсы, которые в среднем в 10 000 раз ярче, чем у его предшественника.

Это должно помочь исследователям исследовать сложные материалы с беспрецедентной точностью. Высокоинтенсивные высокочастотные лазерные импульсы позволяют исследователям увидеть, как электроны и атомы в материалах взаимодействуют с беспрецедентной ясностью.

Это будет иметь ряд применений, от помощи в выявлении того, «как естественно и как заставили молекулярные системы преобразовывать солнечный свет в топливо и, следовательно, как управлять этими процессами, чтобы понять фундаментальные свойства материалов, которые сделают возможными квантовые вычисления», — сказал Берилл.

Связано: 10 космических тайн Большого Адронный коллайдер может разрушиться

Создание ледяного климата внутри ускорителя потребовало некоторой работы. Например, чтобы предотвратить выкипание гелия, команде требовалось сверхнизкое давление.

Эрик Фов, директор криогенного отдела SLAC, рассказал Live Science, что на уровне моря чистая вода кипит при температуре 212°С. F (100 C), но эта температура кипения зависит от давления.

Например, в скороварке давление выше, и вода кипит при 250 F (121 C), тогда как верно обратное на высоте, где давление ниже, а вода кипит при более низкой температуре.

«Для гелия все то же самое. Однако при атмосферном давлении гелий будет кипеть при 4,2 кельвина; эта температура понизится если давление уменьшится, — сказал Фов.

— Чтобы понизить температуру до 2,0 Кельвина, нам нужно давление всего в 1/30 атмосферного давления».

Для достижения этих низких давлениях команда использует пять криогенных центробежных компрессоров, которые сжимают гелий для его охлаждения, а затем позволяют ему расширяться в камере для снижения давления, что делает его одним из немногих мест на Земле где 2,0 K гелия можно производить в больших масштабах.

Фов объяснил, что каждый холодный компрессор представляет собой центробежную машину, оснащенную ротором/крыльчаткой, подобной той, что используется в турбокомпрессоре двигателя.

«Во время вращения крыльчатка ускоряет молекулы гелия, создавая вакуум в центре колеса, куда всасываются молекулы, и создавая давление на периферии колеса, откуда выбрасываются молекулы», — сказал он.

Сжатие заставляет гелий перейти в жидкое состояние, но гелий уходит в этот вакуум, где он быстро расширяется, при этом охлаждаясь.

Помимо своего конечного применения, сверххолодный водород, созданный на LCLS-II, сам по себе представляет научный интерес.

«При температуре 2,0 Кельвина гелий становится сверхтекучим, называемым гелием II. , который обладает экстраординарными свойствами», — сказал Фов. Например, он проводит тепло в сотни раз эффективнее, чем медь, и имеет настолько низкую вязкость или сопротивление течению, что это невозможно измерить, добавил он.

Для LCLS-II, 2 Кельвины настолько низки, насколько ожидается, что температура упадет.

«Более низкие температуры могут быть достигнуты с помощью очень специализированных систем охлаждения, которые могут достигать долей градуса выше абсолютного нуля, когда все движение останавливается», — сказал Баррилл.

Но этот конкретный лазер не способен достичь таких пределов, сказал он.

Похожий контент:

Ученые только что побили рекорд самой низкой температуры, когда-либо зарегистрированной в лаборатории

7 способов, которыми Эйнштейн изменил мир

15 самых странных галактик в нашей Вселенной

Эта статья была первоначально опубликована Live Science. Прочтите оригинал статьи здесь.