SLAC affyrer elektronkanon til LCLS-II røntgenlaseropgradering

Besætninger på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har tændt en ny elektronkanon, en nøglekomponent i laboratoriets opgradering af Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser, og i nat affyrede den sine første elektroner.

Placeret i forenden af ​​næste generations maskine kendt som LCLS-II, pistolen er en del af det, der kaldes en injektor, som vil generere en næsten kontinuerlig strøm af elektroner til at drive produktionen af ​​kraftige røntgenstråler med en hastighed på 8, 000 gange hurtigere end LCLS til dato.

Den vellykkede produktion af elektroner var kulminationen på de sidste 15 måneder, hvor hold har installeret og testet dele af injektoren hos SLAC, bygger på design- og testarbejde i løbet af de sidste par år på DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Det er en milepæl, der viser, at det komplekse injektorsystem fungerer, og som giver os mulighed for at begynde den afgørende opgave med at optimere dets ydeevne, " sagde SLAC accelerator fysiker Feng Zhou, der er ansvarlig for idriftsættelse af LCLS-II injektor. "Injektoren er et meget kritisk system, fordi kvaliteten af ​​den elektronstråle, den skaber, har en enorm effekt på kvaliteten af ​​røntgenstråler, der i sidste ende vil komme ud af LCLS-II."

At lave røntgenstråler med elektroner

Røntgenlasere bruger pulserende elektronstråler til at generere deres røntgenlys. Disse stråler får enorm energi i massive lineære partikelacceleratorer og afgiver derefter noget af denne energi i form af ekstremt lyse røntgenglimt, når de flyver gennem specielle magneter kendt som undulatorer.

Injektorens rolle er at producere en elektronstråle med høj intensitet, et lille tværsnit og minimal divergens, den rigtige pulsfrekvens og andre egenskaber, der kræves for at opnå den bedst mulige røntgenlaserydelse.

Elektronerne affyret af injektoren kommer fra en elektronkanon. Den består af et hult metalhulrum, hvor glimt af laserlys rammer en fotokatode, der reagerer ved at frigive elektroner. Hulrummet er fyldt med et radiofrekvensfelt (RF), der booster energien af ​​de frigjorte elektroner og accelererer dem i bundter mod pistolens udgang.

Magneter og et andet RF-hulrum inde i injektoren klemmer elektronerne ind i mindre, kortere bundter, og en accelerator sektion, skal installeres i løbet af de næste par måneder, vil øge bundternes energi, så de kan komme ind i hovedstrækningen af ​​røntgenlaserens lineære accelerator. Den strækker sig over næsten en kilometer lang, denne superledende accelerator vil øge hastigheden af ​​elektronbundterne til næsten lysets hastighed.

Millionpulsudfordringen

Den mest delikate injektorkomponent er elektronkanonen, og for LCLS-II er de tekniske krav større end nogensinde, sagde John Schmerge, vicedirektør i SLAC's Accelerator-direktorat.

"Den første generation af LCLS producerede 120 røntgenblink i sekundet, hvilket betyder, at injektorlaseren og RF-effekten kun skulle fungere med den hastighed, " sagde han. "LCLS-II, på den anden side, vil også have evnen til at skyde op til en million gange i sekundet, så RF-strømmen skal være tændt hele tiden, og laseren skal arbejde med den meget højere hastighed."

Det skaber store udfordringer.

Først, det kontinuerlige RF-felt producerer meget varme inde i hulrummet. Med en effekt svarende til omkring 80 mikrobølgeovne, der arbejder med fuld effekt til enhver tid, det kan beskadige elektronkanonen og forringe dens ydeevne.

For at håndtere den store mængde strøm, LCLS-II pistolen, som blev bygget på Berkeley Lab, er udstyret med et vandkølingssystem. Den er også meget større end sin forgænger - adskillige fod i stedet for tommer i diameter - så varmen fordeles over et større overfladeareal.

"LCLS-II-projektet fik en flyvende start, drage fordel af Berkeley Labs erfaring med at designe og drive denne unikke elektronkilde, " sagde SLACs John Galayda, som indtil for nylig ledede LCLS-II-projektet. "Det fortsætter med at være et fantastisk samarbejde, der er afgørende for at bygge næste generations røntgenlaser."

En anden udfordring er lasersystemet, sagde Sasha Gilevich, SLAC-ingeniør med ansvar for LCLS-II-injektorlaseren.

"For at producere elektroner effektivt, vi ønsker at skinne ultraviolet lys på fotokatoden, men der er intet kommercielt lasersystem, der er i stand til at levere UV-impulser med de unikke egenskaber, der kræves af LCLS-II med en hastighed på en million impulser pr. sagde hun. I stedet vi sender lyset fra en infrarød laser gennem et optisk system, der indeholder ikke-lineære krystaller, der omdanner det til ultraviolet lys. Men på grund af den varme, der genereres i krystallerne, at udføre denne konvertering ved så høj en pulsfrekvens er meget krævende, og vi er stadig i gang med at optimere vores system til den bedste ydeevne."

Ny elektronkilde, nye udfordringer

LCLS-II's unikke egenskaber vil også være afhængige af en højeffektiv fotokatode til at producere det indledende elektronburst. Den består af en flad skive - blot snesevis af nanometer tyk og en centimeter i diameter - af en halvleder monteret på en metalstøtte. Dette gør det muligt for elektronerne at blive produceret omkring 1, 000 gange mere effektivt end med den tidligere anvendte kobberkatode.

Men fremrykningen kommer med en afvejning, sagde SLAC acceleratorfysiker Theodore Vecchione:"Mens kobberkatoden varede i årevis, den nye er ikke nær så robust og holder muligvis kun et par uger."

Det er derfor, Vecchione har fået til opgave at oprette en facilitet i laboratoriet til at fremstille et lager af katoder, som ikke bare kan købes fra hylden, og for at sikre, at LCLS-II katoden kan udskiftes, når det er nødvendigt.

Nu hvor injektoren har genereret sine første elektroner, idriftsættelsesteamet vil bruge de næste par måneder på at optimere elektronstrålens egenskaber og automatisere injektorstyringerne. Imidlertid, det bliver først næste år når LCLS-II's superledende lineære accelerator er blevet installeret, at de vil være i stand til at teste den fulde injektor, inklusive den korte accelerator sektion, der vil øge elektronenergien til 100 millioner elektronvolt, og gør den klar til at udføre sit arbejde med at generere nogle af de mest kraftfulde røntgenstråler, verden nogensinde har set.