Elke krachtige röntgenpuls geproduceerd voor experimenten bij een laserproject van de volgende generatie, nu in aanbouw, begint met een "vonk" - een uitbarsting van elektronen die wordt uitgezonden wanneer een puls van ultraviolet licht een 1 millimeter brede plek op een speciaal gecoat oppervlak raakt.

Een team van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy heeft een unieke versie van een apparaat ontworpen en gebouwd, een injectiepistool genoemd, die een gestage stroom van deze elektronenbundels kan produceren die uiteindelijk zullen worden gebruikt om schitterende röntgenlaserpulsen te produceren met een hoge vuursnelheid van maximaal 1 miljoen per seconde.

De injector arriveerde op 22 januari bij SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC) in Menlo Park, Californië, de site van de Linac Coherent Light Source II (LCLS-II), een X-ray vrije-elektronenlaserproject.

Op snelheid komen

De injector wordt een van de eerste werkende onderdelen van de nieuwe röntgenlaser. De eerste tests van de injector beginnen kort na de installatie.

De injector voert elektronenbundels in een supergeleidende deeltjesversneller die moet worden onderkoeld tot extreem lage temperaturen om elektriciteit te geleiden met bijna nulverlies. De versnelde elektronenbundels zullen vervolgens worden gebruikt om röntgenlaserpulsen te produceren.

Wetenschappers zullen de röntgenpulsen gebruiken om de interactie van licht en materie op nieuwe manieren te onderzoeken, het produceren van sequenties van snapshots die "films op atomaire en moleculaire schaal kunnen maken, " bijvoorbeeld, om chemische veranderingen te belichten, magnetische effecten, en andere verschijnselen die zich voordoen in slechts quadriljoensten (miljoen-miljardsten) van een seconde.

Deze nieuwe laser zal een aanvulling vormen op experimenten bij SLAC's bestaande röntgenlaser, die in 2009 werd gelanceerd en tot 120 röntgenpulsen per seconde afvuurt. Die laser zal ook worden geüpgraded als onderdeel van het LCLS-II-project.

Het injectiepistoolproject bracht wetenschappers van de Accelerator Technology and Applied Physics Division van Berkeley Lab samen met ingenieurs en technologen van de Engineering Division in wat de directeur van de Engineering Division, Henrik von der Lippe, beschreef als "nog een succesverhaal van onze langdurige samenwerking - (dit was) een zeer uitdagend apparaat om te ontwerpen en te bouwen."

"De voltooiing van het LCLS-II-injectorproject is het hoogtepunt van meer dan drie jaar inspanning, " voegde Steve Virostek toe, een senior ingenieur van Berkeley Lab die de pistoolconstructie leidde. Het Berkeley Lab-team bestond uit werktuigbouwkundigen, natuurkundigen, radiofrequentie-ingenieurs, mechanische ontwerpers, fabricage winkel personeel, en montage techniekers.

"Vrijwel iedereen in de belangrijkste fabricagewinkel van het Lab heeft essentiële bijdragen geleverd, " hij voegde toe, op het gebied van machinale bewerking, lassen, solderen, ultrahoog-vacuüm reiniging, en precisiemetingen.

De injectorbron is een van de belangrijkste bijdragen van Berkeley Lab aan het LCLS-II-project, en bouwt voort op zijn expertise in soortgelijke ontwerpen van elektronenkanonnen, inclusief de voltooiing van een prototype pistool. Bijna een decennium geleden, Onderzoekers van Berkeley Lab begonnen met het bouwen van een prototype voor het injectorsysteem in een straaltestgebied bij de geavanceerde lichtbron van het laboratorium.

Die succesvolle poging, genaamd APEX (Advanced Photoinjector Experiment), produceerde een werkende injector die sindsdien is hergebruikt voor experimenten die zijn elektronenstraal gebruiken om ultrasnelle processen op atomaire schaal te bestuderen. Fernando Sannibale, Hoofd Accelerator Physics bij de ALS, leidde de ontwikkeling van het prototype injectorpistool.

"Dit is een klinkende bevestiging van het belang van R&D op het gebied van basistechnologie, zei Wim Leemans, directeur van de Accelerator Technology and Applied Physics Division van Berkeley Lab. "We wisten dat de gebruikers van lichtbronnen van de volgende generatie fotonenbundels met voortreffelijke eigenschappen nodig zouden hebben, wat leidde tot zeer veeleisende elektronenstraalvereisten. Terwijl LCLS-II werd gedefinieerd, we hadden een uitstekend team dat al aan een bron werkte die aan die vereisten kon voldoen."

De lessen die zijn geleerd met APEX hebben geleid tot verschillende ontwerpwijzigingen die zijn opgenomen in de LCLS-II-injector, zoals een verbeterd koelsysteem om oververhitting en metaalvervormingen te voorkomen, evenals innovatieve reinigingsprocessen.

"We kijken uit naar de voortzetting van de samenwerking met Berkeley Lab tijdens de ingebruikname van het pistool, " zei John Galayda van SLAC, LCLS-II projectdirecteur. "Hoewel ik zeker weet dat we veel zullen leren tijdens de eerste operatie bij SLAC, De operationele ervaring van Berkeley Lab met APEX heeft de LCLS-II mijlen vooruit gezet op weg naar het bereiken van zijn prestatie- en betrouwbaarheidsdoelstellingen."

Mike Dunne, LCLS-directeur bij SLAC, toegevoegd, "De prestaties van het injectorpistool zijn een cruciaal onderdeel dat de algehele werking van onze röntgenlaserfaciliteit aanstuurt, dus we kijken er enorm naar uit om dit systeem in werking te zien bij SLAC. De sprong van 120 pulsen per seconde naar 1 miljoen per seconde zal echt transformerend zijn voor ons wetenschapsprogramma."

Hoe het werkt

Als een batterij, de injector heeft componenten die een anode en een kathode worden genoemd. Deze componenten vormen een vacuümverzegelde centrale koperen kamer die bekend staat als een radiofrequentieversnellende holte die de elektronenbundels op een zorgvuldig gecontroleerde manier uitzendt.

De holte is nauwkeurig afgestemd om op zeer hoge frequenties te werken en is omringd met een reeks kanalen waardoor deze watergekoeld kan worden, het voorkomen van oververhitting door de hoogfrequente stromen die in wisselwerking staan ​​met koper in de centrale holte van de injector.

Een koperen kegelstructuur in de centrale holte is getipt met een speciaal gecoate en gepolijste slak van molybdeen die bekend staat als een fotokathode. Licht van een infraroodlaser wordt omgezet in een ultraviolette (UV) frequentielaser, en dit UV-licht wordt door spiegels gestuurd op een kleine plek op de kathode die is bedekt met cesiumtelluride (Cs2Te), het prikkelen van de elektronen.

Deze elektronen worden tot bundels gevormd en versneld door de holte, welke zal, beurtelings, verbinden met de supergeleidende versneller. Nadat deze elektronenstraal is versneld tot bijna de lichtsnelheid, het zal kronkelen in een reeks krachtige magnetische structuren die undulatorsegmenten worden genoemd, het stimuleren van de elektronen om röntgenlicht uit te zenden dat aan experimenten wordt geleverd.

Precisietechniek en vlekkeloze reiniging

Naast de precisie-engineering die essentieel was voor de injector, Onderzoekers van Berkeley Lab ontwikkelden ook processen voor het verwijderen van verontreinigingen uit componenten door middel van een nauwgezet polijstproces en door ze te stralen met droogijspellets.

De eindreiniging en montage van de meest kritieke componenten van de injector werd uitgevoerd in cleanrooms met gefilterde lucht door werknemers die lichaamsbeschermende kleding droegen om verontreinigingen verder te verminderen - de cleanroom met de hoogste zuiverheid die in de eindmontage wordt gebruikt, bevindt zich eigenlijk in een grotere schone ruimte kamer bij Berkeley Lab.

"De supergeleidende lineaire versneller is extreem gevoelig voor fijnstof, " zoals stof en andere soorten kleine deeltjes, aldus Virostek. "De versnellende cellen kunnen onbruikbaar worden, dus moesten we heel wat iteraties van planning doorlopen om ons systeem schoon te maken en in elkaar te zetten met zo min mogelijk deeltjes."

De op droogijs gebaseerde reinigingsprocessen werken als zandstralen, het creëren van kleine explosies die het oppervlak van componenten reinigen door verontreinigingen uit te stoten. In een vorm van dit reinigingsproces, Technici van Berkeley Lab schakelden een gespecialiseerd mondstuk in om een ​​zeer dunne stroom zeer zuiver droogijs te spuiten.

Na het in elkaar zetten, de injector was vacuümdicht en gevuld met stikstofgas om deze te stabiliseren voor verzending. De kathoden van de injector verslechteren na verloop van tijd, en de injector is uitgerust met een "koffer" van kathoden, ook onder vacuüm, waarmee kathodes kunnen worden verwisseld zonder dat het apparaat hoeft te worden geopend.

"Elke keer dat je het opent, riskeer je besmetting, " legde Virostek uit. Zodra alle kathoden in een koffer zijn opgebruikt, de koffer moet worden vervangen door een nieuwe set kathoden.

De algehele werking en afstemming van het injectorpistool wordt op afstand bestuurd, en er is een verscheidenheid aan diagnostische apparatuur ingebouwd in de injector om een ​​soepele werking te garanderen.

Nog voordat de nieuwe injector is geïnstalleerd, Berkeley Lab heeft voorgesteld om een ​​ontwerpstudie uit te voeren voor een nieuwe injector die elektronenbundels kan genereren met meer dan het dubbele van de uitgangsenergie. Dit zou röntgenbeelden met een hogere resolutie mogelijk maken voor bepaalde soorten experimenten.

Berkeley Lab-bijdragen aan LCLS-II

John Corlett, Senior teamleider van Berkeley Lab, werkte nauw samen met de LCLS-II-projectmanagers bij SLAC en met Berkeley Lab-managers om het injectorproject tot een goed einde te brengen.

"Naast de injectorbron, Berkeley Lab is ook verantwoordelijk voor de undulatorsegmenten voor beide LCLS-II X-ray free-electron laser beamlines, voor de accelerator physics-modellering die hun prestaties zal optimaliseren, en voor technisch leiderschap in de radiofrequentiecontrolesystemen op laag niveau die de supergeleidende lineaire versnellervelden stabiliseren, ’ merkte Corlett op.

James Symons, Berkeley Lab's associate director voor natuurwetenschappen, zei, "Het LCLS-II-project heeft een geweldig voorbeeld opgeleverd van hoe meerdere laboratoria hun complementaire sterke punten kunnen bundelen om de bredere wetenschappelijke gemeenschap ten goede te komen. De mogelijkheden van LCLS-II zullen leiden tot transformationeel begrip van chemische reacties, en ik ben trots op ons vermogen om bij te dragen aan dit belangrijke nationale project."

LCLS-II wordt gebouwd bij SLAC met belangrijke technische bijdragen van Argonne National Laboratory, Fermilab, Jefferson-lab, Berkeley-lab, en de Cornell-universiteit. De bouw van LCLS-II wordt ondersteund door DOE's Office of Science.