Varje kraftfull röntgenpuls som produceras för experiment vid ett nästa generations laserprojekt, nu under uppbyggnad, börjar med en "gnista"-en skur av elektroner som avges när en puls av ultraviolett ljus träffar en 1 millimeter bred plats på en speciellt belagd yta.

Ett team vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) designade och byggde en unik version av en enhet, kallade en sprutpistol, som kan producera en stadig ström av dessa elektronbuntar som i slutändan kommer att användas för att producera lysande röntgenlaserpulser med en snabb eldhastighet på upp till 1 miljon per sekund.

Injektorn kom 22 januari till SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC) i Menlo Park, Kalifornien, platsen för Linac Coherent Light Source II (LCLS-II), ett röntgenfritt elektronlaserprojekt.

Att få fart

Injektorn kommer att vara en av de första operationerna i den nya röntgenlasern. Inledande testning av injektorn börjar strax efter installationen.

Injektorn matar elektronklasar i en supraledande partikelaccelerator som måste kylas till extremt låga temperaturer för att leda elektricitet med nästan noll förlust. De accelererade elektronbuntarna kommer sedan att användas för att producera röntgenlaserpulser.

Forskare kommer att använda röntgenpulserna för att utforska växelverkan mellan ljus och materia på nya sätt, producera sekvenser av ögonblicksbilder som kan skapa filmer i atom- och molekylär skala, " till exempel, för att belysa kemiska förändringar, magnetiska effekter, och andra fenomen som inträffar på bara kvadriljondelar (miljoner miljarder) av en sekund.

Denna nya laser kommer att komplettera experiment på SLACs befintliga röntgenlaser, som lanserades 2009 och avfyrar upp till 120 röntgenpulser per sekund. Den lasern kommer också att uppgraderas som en del av LCLS-II-projektet.

Injektorpistolprojektet samarbetade med forskare från Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics Division med ingenjörer och tekniker från Engineering Division i vad Engineering Division Director Henrik von der Lippe beskrev som "ännu en framgångssaga från vårt mångåriga partnerskap - (detta var) en mycket utmanande enhet att designa och bygga. "

"Slutförandet av LCLS-II-injektorprojektet är kulmen på mer än tre års arbete, "tillade Steve Virostek, en senioringenjör från Berkeley Lab som ledde vapenkonstruktionen. Berkeley Lab -teamet omfattade mekaniska ingenjörer, fysiker, radiofrekvensingenjörer, mekaniska konstruktörer, tillverkningsbutikspersonal, och monteringstekniker.

"Nästan alla i Labs huvudsakliga tillverkningsbutik gjorde viktiga bidrag, " han lade till, inom bearbetning, svetsning, lödning, ultrahögdammsugning, och precisionsmätningar.

Injektorkällan är ett av Berkeley Labs stora bidrag till LCLS-II-projektet, och bygger vidare på sin expertis inom liknande elektronpistoldesigner, inklusive färdigställande av en prototyppistol. För nästan ett decennium sedan, Berkeley Lab-forskare började bygga en prototyp för injektorsystemet i ett stråltestområde vid Labs Advanced Light Source.

Den lyckade insatsen, kallad APEX (Advanced Photoinjector Experiment), producerat en fungerande injektor som sedan har använts för experiment som använder sin elektronstråle för att studera ultrasnabba processer i atomskala. Fernando Sannibale, Chef för Accelerator Physics på ALS, ledde utvecklingen av prototypen sprutpistol.

"Detta är en ringande bekräftelse på vikten av grundläggande teknik FoU, "sa Wim Leemans, chef för Berkeley Labs division Accelerator Technology and Applied Physics. "Vi visste att användarna vid nästa generations ljuskällor skulle behöva fotonstrålar med utsökta egenskaper, vilket ledde till mycket krävande krav på elektronstrålar. Som LCLS-II definierades, Vi hade ett utmärkt team som redan arbetade med en källa som kunde uppfylla dessa krav. "

Lärdomarna med APEX inspirerade till flera designförändringar som ingår i LCLS-II-injektorn, såsom ett förbättrat kylsystem för att förhindra överhettning och metalldeformationer, samt innovativa rengöringsprocesser.

"Vi ser fram emot fortsatt samarbete med Berkeley Lab under idrifttagning av pistolen, "sa SLAC:s John Galayda, LCLS-II projektledare. "Även om jag är säker på att vi kommer att lära oss mycket under den första operationen på SLAC, Berkeley Labs arbetserfarenhet med APEX har tagit LCLS-II miles långt på väg att nå sina prestanda- och tillförlitlighetsmål. "

Mike Dunne, LCLS -direktör på SLAC, Lagt till, "Injektorpistolens prestanda är en kritisk komponent som driver den övergripande driften av vår röntgenlaseranläggning, så vi ser mycket fram emot att se detta system i drift på SLAC. Hoppet från 120 pulser per sekund till 1 miljon per sekund kommer verkligen att förändra vårt vetenskapsprogram. "

Hur det fungerar

Som ett batteri, injektorn har komponenter som kallas en anod och katod. Dessa komponenter bildar en vakuumtätad central kopparkammare som kallas en radiofrekvent accelerationshålighet som skickar ut elektronbuntarna på ett noggrant kontrollerat sätt.

Kaviteten är exakt inställd för att fungera vid mycket höga frekvenser och är ringad med en rad kanaler som gör att den kan vattenkyldas, förhindra överhettning från radiofrekvensströmmarna som interagerar med koppar i injektorns centrala hålighet.

En kopparkonstruktur i dess centrala hålighet är tippad med en specialbelagd och polerad molybden som kallas en fotokatod. Ljus från en infraröd laser omvandlas till en ultraviolett (UV) frekvenslaser, och detta UV -ljus styrs av speglar på en liten fläck på katoden som är belagd med cesium tellurid (Cs2Te), spännande elektronerna.

Dessa elektroner bildas i grupper och accelereras av hålrummet, som kommer att, i tur och ordning, anslut till den supraledande acceleratorn. Efter att denna elektronstråle accelererats till nästan ljusets hastighet, det kommer att viftas inom en serie kraftfulla magnetiska strukturer som kallas böljande segment, stimulera elektronerna att avge röntgenljus som levereras till experiment.

Precisionsteknik och obefläckad rengöring

Förutom den precisionsteknik som var avgörande för injektorn, Berkeley Lab -forskare utvecklade också processer för att eliminera föroreningar från komponenter genom en noggrann poleringsprocess och genom att spränga dem med torrispellets.

Slutrengöring och montering av injektorns mest kritiska komponenter utfördes i renrum med filtrerad luft av anställda som bär skyddskläder för hela kroppen för att ytterligare minska föroreningar-det renaste renrummet som används i den slutliga monteringen är faktiskt inrymt i en större ren rum på Berkeley Lab.

"Den supraledande linjära acceleratorn är extremt känslig för partiklar, "såsom damm och andra typer av små partiklar, Sa Virostek. "Dess accelererande celler kan bli oanvändbara, så vi var tvungna att gå igenom en hel del iterationer av planering för att rengöra och montera vårt system med så få partiklar som möjligt. "

De torrisbaserade rengöringsprocesserna fungerar som sandblästring, skapa små explosioner som rengör ytan av komponenter genom att mata ut föroreningar. I en form av denna rengöringsprocess, Berkeley Lab-tekniker anlitade ett specialiserat munstycke för att spruta en mycket tunn ström av högren torris.

Efter montering, injektorn vakuumförseglades och fylldes med kvävgas för att stabilisera den för transport. Injektorns katoder försämras med tiden, och injektorn är utrustad med en "resväska" av katoder, även under vakuum, som gör att katoder kan bytas ut utan att enheten behöver öppnas.

"Varje gång du öppnar den riskerar du att smitta, "Förklarade Virostek. När alla katoder i en resväska är förbrukade, resväskan måste bytas ut mot en ny uppsättning katoder.

Den totala driften och inställningen av injektorpistolen kommer att fjärrstyras, och det finns en mängd olika diagnostisk utrustning inbyggd i injektorn för att säkerställa en smidig körning.

Redan innan den nya injektorn installeras, Berkeley Lab har föreslagit att genomföra en designstudie för en ny injektor som kan generera elektronbuntar med mer än dubbelt uteffekten. Detta skulle möjliggöra röntgenbaserade bilder med högre upplösning för vissa typer av experiment.

Berkeley Lab-bidrag till LCLS-II

John Corlett, Berkeley Labs ledande teamledare, arbetade nära LCLS-II projektledare vid SLAC och med Berkeley Lab chefer för att få injektorprojektet att genomföras.

"Förutom injektorkällan, Berkeley Lab är också ansvarig för de böljande segmenten för båda LCLS-II röntgenstrålande laserstrålen, för acceleratorns fysikmodellering som optimerar deras prestanda, och för tekniskt ledarskap inom lågnivåradiofrekvensstyrsystem som stabiliserar de superledande linjära acceleratorfälten, "Noterade Corlett.

James Symons, Berkeley Labs associerade chef för fysiska vetenskaper, sa, "LCLS-II-projektet har gett ett oerhört exempel på hur flera laboratorier kan sammanföra sina kompletterande styrkor för att gynna det bredare vetenskapliga samfundet. LCLS-II:s förmåga kommer att leda till transformationsförståelse för kemiska reaktioner, och jag är stolt över vår förmåga att bidra till detta viktiga nationella projekt. "

LCLS-II byggs på SLAC med stora tekniska bidrag från Argonne National Laboratory, Fermilab, Jefferson Lab, Berkeley Lab, och Cornell University. Konstruktion av LCLS-II stöds av DOE:s Office of Science.