Bemanningen van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben een nieuw elektronenkanon ingeschakeld, een belangrijk onderdeel van de upgrade van het laboratorium van zijn Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, en gisteravond vuurde het zijn eerste elektronen af.

Gelegen aan de voorkant van de volgende generatie machine die bekend staat als LCLS-II, het pistool maakt deel uit van wat een injector wordt genoemd, die een bijna continue stroom elektronen zal genereren om de productie van krachtige röntgenstralen te stimuleren met een snelheid van 8, 000 keer sneller dan LCLS tot nu toe.

De succesvolle productie van elektronen was het hoogtepunt van de afgelopen 15 maanden, waarbij teams onderdelen van de injector bij SLAC hebben geïnstalleerd en getest, voortbouwend op ontwerp- en testwerk van de afgelopen jaren in het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE.

"Het is een mijlpaal die laat zien dat het complexe injectorsysteem werkt en dat ons in staat stelt te beginnen met de cruciale taak om de prestaties te optimaliseren, " zei SLAC-versnellerfysicus Feng Zhou, die verantwoordelijk is voor de inbedrijfstelling van de LCLS-II-injector. "De injector is een zeer kritisch systeem omdat de kwaliteit van de elektronenstraal die het creëert een enorm effect heeft op de kwaliteit van de röntgenstralen die uiteindelijk uit LCLS-II zullen komen."

Röntgenstralen maken met elektronen

Röntgenlasers gebruiken gepulseerde elektronenbundels om hun röntgenlicht te genereren. Deze bundels krijgen enorme energie in massieve lineaire deeltjesversnellers en geven een deel van die energie af in de vorm van extreem heldere röntgenflitsen wanneer ze door speciale magneten vliegen die bekend staan ​​als undulatoren.

De rol van de injector is het produceren van een elektronenstraal met een hoge intensiteit, een kleine doorsnede en minimale divergentie, de juiste pulsfrequentie en andere eigenschappen die nodig zijn om de best mogelijke röntgenlaserprestaties te bereiken.

De elektronen die door de injector worden afgevuurd, komen uit een elektronenkanon. Het bestaat uit een holle metalen holte waar flitsen van laserlicht een fotokathode raken die reageert door elektronen vrij te geven. De holte is gevuld met een radiofrequentieveld (RF) dat de energie van de vrijgekomen elektronen verhoogt en ze in bundels versnelt naar de uitgang van het pistool.

Magneten en een andere RF-holte in de injector persen de elektronen in kleinere, kortere trossen, en een acceleratiegedeelte, de komende maanden worden geïnstalleerd, zal de energie van de trossen verhogen, zodat ze het hoofdgedeelte van de lineaire versneller van de röntgenlaser kunnen betreden. Bijna een kilometer lang, deze supergeleidende versneller zal de snelheid van de elektronenbundels verhogen tot bijna de lichtsnelheid.

De uitdaging van een miljoen pulsen

De meest delicate injectorcomponent is het elektronenkanon, en voor LCLS-II zijn de technische eisen groter dan ooit, zei John Schmerge, adjunct-directeur van SLAC's Accelerator Directoraat.

"De eerste generatie LCLS produceerde 120 röntgenflitsen per seconde, wat betekent dat de injectorlaser en het RF-vermogen alleen met die snelheid hoefden te werken, "zei hij. "LCLS-II, anderzijds, zal ook de mogelijkheid hebben om tot een miljoen keer per seconde te vuren, dus het RF-vermogen moet de hele tijd ingeschakeld zijn en de laser moet met een veel hogere snelheid werken."

Dit zorgt voor grote uitdagingen.

Eerst, het continue RF-veld produceert veel warmte in de holte. Met een vermogen gelijk aan ongeveer 80 magnetronovens die altijd op vol vermogen werken, het kan het elektronenkanon beschadigen en de prestaties verminderen.

Om de grote hoeveelheid stroom aan te kunnen, het LCLS-II-kanon, die werd gebouwd in Berkeley Lab, is uitgerust met een waterkoelingssysteem. Het is ook veel groter dan zijn voorganger - enkele meters in plaats van inches in diameter - dus warmte wordt verdeeld over een groter oppervlak.

"Het LCLS-II-project kreeg een vliegende start, profiteren van de ervaring van Berkeley Lab met het ontwerpen en beheren van deze unieke elektronenbron, " zei John Galayda van SLAC, die tot voor kort het LCLS-II-project leidde. "Het blijft een geweldige samenwerking die cruciaal is bij het bouwen van de volgende generatie röntgenlaser."

Een andere uitdaging is het lasersysteem, zei Sasha Gilevitsj, SLAC-ingenieur die verantwoordelijk is voor de LCLS-II-injectorlaser.

"Om efficiënt elektronen te produceren, we willen ultraviolet licht op de fotokathode laten schijnen, maar er is geen commercieel lasersysteem dat UV-pulsen kan leveren met de unieke eigenschappen die vereist zijn voor LCLS-II met een snelheid van een miljoen pulsen per seconde, "zei ze. "In plaats daarvan, we sturen het licht van een infraroodlaser door een optisch systeem met niet-lineaire kristallen die het omzetten in ultraviolet licht. Maar vanwege de warmte die in de kristallen wordt gegenereerd, het uitvoeren van deze conversie met zo'n hoge hartslag is erg veeleisend, en we zijn nog steeds bezig ons systeem te optimaliseren voor de beste prestaties."

Nieuwe elektronenbron, nieuwe uitdagingen

De unieke mogelijkheden van de LCLS-II zijn ook afhankelijk van een zeer efficiënte fotokathode om de eerste elektronenburst te produceren. Het bestaat uit een platte schijf - slechts tientallen nanometers dik en een centimeter in diameter - van een halfgeleider gemonteerd op een metalen steun. Hierdoor kunnen de elektronen worden geproduceerd ongeveer 1, 000 keer efficiënter dan met de eerder gebruikte koperkathode.

Maar het voorschot komt met een afweging, zei SLAC-versnellerfysicus Theodore Vecchione:"Terwijl de koperen kathode jaren meeging, de nieuwe is lang niet zo robuust en kan maar een paar weken meegaan."

Daarom heeft Vecchione de opdracht gekregen om een ​​faciliteit in het lab op te zetten om een ​​voorraad kathoden te fabriceren, die niet zomaar uit het schap kunnen worden gekocht, en om ervoor te zorgen dat de LCLS-II-kathode kan worden vervangen wanneer dat nodig is.

Nu de injector zijn eerste elektronen heeft gegenereerd, het inbedrijfstellingsteam zal de komende maanden besteden aan het optimaliseren van de eigenschappen van de elektronenstraal en het automatiseren van de injectorbesturing. Echter, het zal pas volgend jaar zijn, wanneer de supergeleidende lineaire versneller van LCLS-II is geïnstalleerd, dat ze de volledige injector kunnen testen, inclusief het korte versnellergedeelte dat de elektronenenergie opvoert tot 100 miljoen elektronvolt, en maak het klaar om zijn werk te doen door enkele van de krachtigste röntgenstralen te genereren die de wereld ooit heeft gezien.