Unik injektor skaber bundter af elektroner for at stimulere røntgenpulser fra millioner pr. Sekund

Hver kraftig røntgenpuls produceret til eksperimenter ved et næste generations laserprojekt, nu under opførelse, vil starte med en "gnist"-et udbrud af elektroner, der udsendes, når en puls af ultraviolet lys rammer en 1 millimeter bred plet på en specielt belagt overflade.

Et team ved US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) designede og byggede en unik version af en enhed, kaldet en injektorpistol, der kan producere en jævn strøm af disse elektronbundter, der i sidste ende vil blive brugt til at producere strålende røntgenlaserpulser med en hurtig brandhastighed på op til 1 million pr. sekund.

Injektoren ankom 22. januar til SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC) i Menlo Park, Californien, stedet for Linac Coherent Light Source II (LCLS-II), et røntgenfrit elektronlaserprojekt.

At komme op i fart

Injektoren bliver et af de første operationsstykker i den nye røntgenlaser. Indledende test af injektoren begynder kort efter installationen.

Injektoren vil føre elektronbundter ind i en superledende partikelaccelerator, der skal nedkøles til ekstremt lave temperaturer for at lede elektricitet med næsten nul tab. De accelererede elektronbundter vil derefter blive brugt til at producere røntgenlaserpulser.

Forskere vil anvende røntgenpulser til at udforske vekselvirkningen mellem lys og stof på nye måder, producere sekvenser af snapshots, der kan oprette atom- og molekylskala "film, " for eksempel, at belyse kemiske ændringer, magnetiske effekter, og andre fænomener, der forekommer på bare kvadrilliondeler (millioner milliarder) af et sekund.

Denne nye laser vil supplere eksperimenter med SLACs eksisterende røntgenlaser, som blev lanceret i 2009 og affyrer op til 120 røntgenpulser pr. sekund. Denne laser vil også blive opgraderet som en del af LCLS-II-projektet.

Injektorpistolprojektet slog forskere fra Berkeley Labs afdeling Accelerator Technology and Applied Physics sammen med ingeniører og teknologer fra Engineering Division i hvad Engineering Division Director Henrik von der Lippe beskrev som "endnu en succeshistorie fra vores mangeårige partnerskab - (dette var) en meget udfordrende enhed at designe og bygge. "

"Afslutningen af ​​LCLS-II injektorprojektet er kulminationen på mere end tre års indsats, "tilføjede Steve Virostek, en senioringeniør i Berkeley Lab, der ledede pistolkonstruktionen. Berkeley Lab -teamet omfattede mekaniske ingeniører, fysikere, radiofrekvensingeniører, mekaniske designere, fabrikationsforretningspersonale, og montageteknikere.

"Næsten alle i laboratoriets største fabrikationsbutik leverede vigtige bidrag, " han tilføjede, inden for bearbejdning, svejsning, lodning, ultrahøj støvsugning, og præcisionsmålinger.

Injektorkilden er et af Berkeley Labs største bidrag til LCLS-II-projektet, og bygger på sin ekspertise inden for lignende elektronpistoldesign, herunder færdiggørelse af en prototype pistol. For næsten et årti siden, Berkeley Lab-forskere begyndte at bygge en prototype til injektorsystemet i et stråle-testområde ved laboratoriets avancerede lyskilde.

Den vellykkede indsats, kaldet APEX (Advanced Photoinjector Experiment), produceret en fungerende injektor, der siden er blevet genanvendt til eksperimenter, der bruger sin elektronstråle til at studere ultrahurtige processer i atomskalaen. Fernando Sannibale, Leder af Accelerator Physics på ALS, ledet udviklingen af ​​prototypen injektorpistol.

"Dette er en ringende bekræftelse af vigtigheden af ​​grundlæggende teknologisk F &U, "sagde Wim Leemans, direktør for Berkeley Labs division Accelerator Technology and Applied Physics. "Vi vidste, at brugerne på næste generations lyskilder ville have brug for fotonstråler med udsøgte egenskaber, hvilket førte til meget krævende elektronstrålekrav. Som LCLS-II blev defineret, Vi havde et fremragende team, der allerede arbejdede på en kilde, der kunne opfylde disse krav. "

Erfaringerne med APEX inspirerede til flere designændringer, der er indarbejdet i LCLS-II-injektoren, såsom et forbedret kølesystem for at forhindre overophedning og metaldeformationer, samt innovative rengøringsprocesser.

"Vi ser frem til fortsat samarbejde med Berkeley Lab under idriftsættelse af pistolen, "sagde SLACs John Galayda, LCLS-II projektdirektør. "Selvom jeg er sikker på, at vi vil lære meget under den første operation på SLAC, Berkeley Labs driftserfaring med APEX har bragt LCLS-II miles foran på vej til at nå sine præstations- og pålidelighedsmål. "

Mike Dunne, LCLS -direktør hos SLAC, tilføjet, "Injektorpistolens ydeevne er en kritisk komponent, der driver den overordnede drift af vores røntgenlaseranlæg, så vi glæder os meget til at se dette system i drift hos SLAC. Springet fra 120 pulser pr. Sekund til 1 million pr. Sekund vil virkelig være transformerende for vores naturvidenskabelige program. "

Hvordan det virker

Som et batteri, injektoren har komponenter kaldet en anode og katode. Disse komponenter danner et vakuumforseglet centralt kobberkammer kendt som et radiofrekvent accelerationshulrum, der sender elektronbundterne ud på en omhyggeligt kontrolleret måde.

Hulrummet er præcist indstillet til at fungere ved meget høje frekvenser og er ringet ind med en række kanaler, der gør det muligt at afkøle vand, forhindrer overophedning fra radiofrekvensstrømmene, der interagerer med kobber i injektorens centrale hulrum.

En kobberkeglestruktur i dens centrale hulrum er tippet med en specielt belagt og poleret slug af molybdæn kendt som en fotokatode. Lys fra en infrarød laser konverteres til en ultraviolet (UV) frekvenslaser, og dette UV -lys styres af spejle på et lille sted på katoden, der er belagt med cæsiumtellurid (Cs2Te), spændende elektronerne.

Disse elektroner dannes til bundter og accelereres af hulrummet, hvilket vil, på tur, forbindes til den superledende accelerator. Efter at denne elektronstråle er accelereret til næsten lysets hastighed, det vil blive vrikket inden for en række kraftfulde magnetiske strukturer kaldet undulatorsegmenter, stimulere elektronerne til at udsende røntgenlys, der leveres til forsøg.

Præcisionsteknik og pletfri rengøring

Udover præcisionsteknikken, der var afgørende for injektoren, Berkeley Lab -forskere udviklede også processer til fjernelse af forurenende stoffer fra komponenter gennem en omhyggelig poleringsproces og ved at sprænge dem med tørispiller.

Den endelige rengøring og samling af injektorens mest kritiske komponenter blev udført i rene filtrerede luftrum af ansatte iført beskyttelsesbeklædning til hele kroppen for yderligere at reducere forurenende stoffer-det reneste reneste rum, der blev brugt i den endelige samling, er faktisk placeret i en større ren værelse på Berkeley Lab.

"Den superledende lineære accelerator er ekstremt følsom over for partikler, "såsom støv og andre typer små partikler, Sagde Virostek. "Dens accelererende celler kan blive ubrugelige, så vi måtte gennemgå en hel del iterationer af planlægning for at rense og samle vores system med så få partikler som muligt. "

De tørisbaserede rengøringsprocesser fungerer som sandblæsning, skaber små eksplosioner, der renser overfladen af ​​komponenter ved at skubbe forurenende stoffer ud. I en form for denne rengøringsproces, Berkeley Lab-teknikere hentede en specialiseret dyse til at stråle en meget tynd strøm af højis tøris.

Efter montering, injektoren blev vakuumforseglet og fyldt med nitrogengas for at stabilisere den til forsendelse. Injektorens katoder nedbrydes over tid, og injektoren er udstyret med en "kuffert" med katoder, også under vakuum, der gør det muligt at udskifte katoder uden at skulle åbne enheden.

"Hver gang du åbner den, risikerer du forurening, "Forklarede Virostek. Når alle katoderne i en kuffert er brugt op, kufferten skal udskiftes med et nyt sæt katoder.

Den overordnede betjening og indstilling af injektorpistolen vil blive fjernstyret, og der er en række forskellige diagnostiske udstyr indbygget i injektoren for at hjælpe med at sikre jævn drift.

Selv før den nye injektor er installeret, Berkeley Lab har foreslået at foretage en designundersøgelse for en ny injektor, der kunne generere elektronbunker med mere end det dobbelte af udgangsenergien. Dette ville muliggøre røntgenbaserede billeder med højere opløsning til visse typer eksperimenter.

Berkeley Labs bidrag til LCLS-II

John Corlett, Berkeley Labs senior teamleder, arbejdede tæt sammen med LCLS-II-projektledere på SLAC og med Berkeley Lab-ledere for at bringe injektorprojektet ud i livet.

"Ud over injektorkilden, Berkeley Lab er også ansvarlig for bølgesegmenterne for begge LCLS-II røntgenfri elektronelaserstråler, til acceleratorfysik modellering, der vil optimere deres ydeevne, og for teknisk lederskab inden for lavt niveau radiofrekvensstyringssystemer, der stabiliserer de superledende lineære acceleratorfelter, "Bemærkede Corlett.

James Symons, Berkeley Labs associerede direktør for fysiske videnskaber, sagde, "LCLS-II-projektet har givet et fantastisk eksempel på, hvordan flere laboratorier kan bringe deres komplementære styrker sammen til gavn for det bredere videnskabelige samfund. LCLS-II's muligheder vil føre til transformationsforståelse af kemiske reaktioner, og jeg er stolt over vores evne til at bidrage til dette vigtige nationale projekt. "

LCLS-II bygges på SLAC med store tekniske bidrag fra Argonne National Laboratory, Fermilab, Jefferson Lab, Berkeley Lab, og Cornell University. Konstruktion af LCLS-II understøttes af DOE's Office of Science.