LCLS-II 加速器。 (グレッグ・スチュワート/SLAC 国立加速器研究所) ここ地球で電子を衝突させる粒子加速器は、宇宙よりも低い温度を達成しました。
を使用して X線 エネルギー省の自由電子レーザー SLAC 国立加速器研究所 – LCLS II と呼ばれるリニアック コヒーレント光源 (LCLS) のアップグレード プロジェクトの一部 – 科学者は液体ヘリウムを華氏マイナス 456 度 (摂氏マイナス 271 度)、つまり 2 ケルビン .
これは、絶対零度よりわずか 2 ケルビン高い温度であり、すべての粒子の動きが停止する最も低い温度です。
このような低温ではマシンが超伝導状態になり、ほぼゼロのエネルギー損失で電子を加速できるため、このような凍てつく環境は加速器にとって非常に重要です。
空間の何もない領域でさえ、それほど寒くはありません。 宇宙マイクロ波背景 放射線、その直後からの名残 ビッグ・バン 華氏マイナス 454 度 (摂氏マイナス 271 度)、つまり 3 K の均一な温度です。
「LCLS-II X 線自由電子レーザーの次世代超伝導加速器は、絶対零度より 2 度高い動作温度に達しました」と、SLAC の加速器局長である Andrew Burrill 氏は Live Science に語った。
LCLS-II は現在、世界記録である毎秒 100 万パルスで電子を加速し始める準備ができている、と彼は付け加えた。
「これは、前身の LCLS よりも 1 秒あたりのパルス数が 4 桁多いことを意味します。つまり、わずか数時間で、LCLS が行ったよりも多くの X 線を [実験で利用することを目指している] ユーザーに送信することになります。過去 10 年間」と Burrill 氏は述べています。
これは、LCLS-II が前任者によって作成されたものよりも平均で 10,000 倍明るい X 線パルスを生成できるようになる前に達成する必要がある最後のマイルストーンの 1 つです。
これは、研究者がこれまでにない詳細で複雑な材料を調査するのに役立つはずです。高強度、高周波数のレーザー パルスにより、研究者は材料内の電子と原子がどのように相互作用するかを前例のないほど明確に見ることができます。
これには、「自然および人工の分子システムがどのように太陽光を燃料に変換するか、したがってこれらのプロセスを制御する方法を明らかにするのを助けることから、可能にする材料の基本的な特性を理解することまで、多くの用途があります。 量子コンピューティング 」とブリルは言いました。
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加速器内の氷点下の気候を作成するには、いくつかの作業が必要でした。たとえば、ヘリウムが蒸発しないようにするために、チームは超低圧が必要でした。
SLAC の極低温部門の責任者である Eric Fauve 氏は Live Science に、海面では純水は 212 F (100 C) で沸騰するが、この沸騰温度は圧力によって変化すると語った。
たとえば、圧力鍋では圧力が高く、水は 250 F (121 C) で沸騰しますが、高度では圧力が低く、水はより低い温度で沸騰します。
「ヘリウムについては、ほとんど同じです。ただし、大気圧では、ヘリウムは 4.2 ケルビンで沸騰します。圧力が低下すると、この温度は低下します」とフォーブ氏は述べています。
「温度を 2.0 ケルビンに下げるには、大気圧のわずか 30 分の 1 の圧力が必要です。」
これらの低圧を達成するために、チームは 5 つの極低温遠心圧縮機を使用します。ヘリウムを圧縮して冷却し、チャンバー内で膨張させて圧力を下げます。 地球 ここでは、2.0 K のヘリウムを大規模に生産できます。
Fauve 氏は、各コールド コンプレッサーは、エンジンのターボ コンプレッサーと同様のローター/インペラーを備えた遠心機であると説明しました。
「回転中、インペラーはヘリウム分子を加速し、分子が吸い込まれるホイールの中心に真空を作り出し、分子が排出されるホイールの周辺に圧力を発生させます」と彼は言いました。
圧縮によりヘリウムは液体状態になりますが、ヘリウムはこの真空中に逃げ出し、そこで急速に膨張し、その際に冷却されます。
究極の用途に加えて、LCLS-II で生成された超低温水素は、それ自体が科学的な好奇心です。
「2.0 ケルビンで、ヘリウムはヘリウム II と呼ばれる超流動体になり、並外れた特性を持ちます」と Fauve 氏は述べています。たとえば、銅よりも何百倍も効率的に熱を伝導し、粘度 (または流れに対する抵抗) が非常に低いため、これを測定することはできません、と彼は付け加えました。
LCLS-II の場合、2 ケルビンは予想される温度と同じくらい低いです。
「より低い温度は、すべての動きが停止する絶対零度よりもわずかに高い温度に達することができる非常に特殊な冷却システムを使用して達成できます」と Burrill 氏は述べています。
しかし、この特定のレーザーには、それらの極限に到達する能力がない、と彼は言った.
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