Đầu năm 2023, Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia SLAC ở California sẽ sử dụng electron tốc độ cao để tạo ra tia X mạnh nhất từng được quan sát trên Trái đất.
Những tia X mạnh chưa từng thấy sẽ được sản xuất trong một đường hầm, sử dụng phiên bản mới của máy laser tia X Coherent Light Source (LCLS), cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu về nguyên tử và phân tử theo cách chi tiết chưa từng có. LCLS-II là máy laser tia X nhanh và mạnh nhất thế giới, Sience Times hôm 2/1 đưa tin.
Súng laser tia X cung cấp năng lượng cho máy LCLS-II. (Ảnh: Marilyn Chung/Lawrence Berkeley)
LCLS-II là máy laser electron tự do tia X cứng (XFEL), có thể tạo ra ảnh chụp siêu nhanh với độ phân giải cao của vật thể vi mô. Phiên bản tiền nhiệm của nó là LCLS từng được sử dụng cho nhiều mục đích đa dạng, bao gồm chụp ảnh virus, mô phỏng điều kiện ở trung tâm ngôi sao, làm nước bốc hơi thành trạng thái plasma nóng hơn lõi Trái đất, tạo ra tiếng ồn cực hạn và "mưa kim cương" tương tự hiện tượng xảy ra trên nhiều hành tinh như sao Hải Vương.
Giai đoạn thứ hai của LCLS-II vừa hoàn thành gần đây, được kỳ vọng sẽ có nhiều khả năng hơn bản tiền nhiệm. Hệ thống mới có thể tạo ra xung tia X sáng hơn trung bình 10.000 lần so với LCLS và sản xuất một triệu xung mỗi giây, vượt xa mức 120 xung/giây của bản gốc.
Chỉ trong vài giờ, LCLS-II sẽ sản xuất nhiều xung tia X hơn máy laser hiện nay tạo ra trong suốt vòng đời, theo Mike Dunne, giám đốc của LCLS. Sự gia tăng khả năng này sẽ giúp các nhà nghiên cứu thu thập dữ liệu trong vài phút thay vì vài tháng như trước đây, đẩy mạnh đáng kể lĩnh vực khoa học tia X, cho phép phát triển những công nghệ mới nhằm giải quyết hàng loạt thách thức lớn của xã hội.
LCLS-II hoạt động theo quy tắc tương tự LCLS. Electron được tạo ra và gia tốc trong đường ống, khiến chúng dao động và phát ra tia X. Tuy nhiên, hệ thống mới cũng cải tiến mỗi bước của quá trình. Thay đổi lớn nhất là máy gia tốc được nâng cấp. Trong khi cỗ máy ban đầu sử dụng đường ống đồng ở nhiệt độ phòng để bắn electron. LCLS-II sử dụng bộ 37 động cơ ngưng tụ lạnh được làm mát ở độ 0 gần như tuyệt đối (-271 độ C), sử dụng heli lỏng từ hai nhà máy đông lạnh lớn. Việc làm mát giúp thiết bị vận hành ở mức năng lượng cao hơn, từ đó tạo ra xung tia X sáng và mạnh hơn.
Ở nhiệt độ cực thấp, các khoang kim loại niobium bên trong động cơ ngưng tụ lạnh trở thành siêu dẫn, cho phép electron truyền qua mà không gặp lực cản. Vi sóng tạo ra trường điện dao động, cộng hưởng bên trong khoang, đồng bộ với nhịp truyền electron và chuyển năng lượng cho chúng. Năng lượng bổ sung làm tăng tốc độ electron đến mức khi bay qua tất cả 37 động cơ ngưng tụ lạnh, chúng sẽ di chuyển nhanh gần bằng vận tốc ánh sáng.
Sau khi đi qua máy gia tốc, electron năng lượng cao sẽ tiến vào máy đo sóng, thiết bị sử dụng từ trường mạnh khiến electron dao động và phát ra tia X. Những máy đo sóng mới có thể sản xuất cả tia X cứng và mềm. Tia X cứng có thể chụp ảnh chi tiết từng nguyên tử. Ngược lại, tia X mềm có thể hé lộ dòng năng lượng giữa nguyên tử và phân tử.
Động cơ ngưng tụ lạnh đạt nhiệt độ thấp vào tháng 4 năm ngoái. Hiện nay, nhóm nghiên cứu đang chuẩn bị thử nghiệm thiết bị, sử dụng những electron đầu tiên. Theo dự kiến, khi bắt đầu sản xuất tia X, LCLS-II sẽ cung cấp thêm hiểu biết mới về các lĩnh vực như hóa học, sinh học, vi tính, cơ học lượng tử.