Besättningar vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har drivit upp ett nytt elektronpistol, en nyckelkomponent i laboratoriets uppgradering av sin Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, och i natt avfyrade den sina första elektroner.

Ligger i framänden på nästa generations maskin som kallas LCLS-II, pistolen är en del av det som kallas en injektor, som kommer att generera en nästan kontinuerlig ström av elektroner för att driva produktionen av kraftfulla röntgenstrålar med en hastighet som är 8, 000 gånger snabbare än LCLS hittills.

Den framgångsrika produktionen av elektroner var kulmen på de senaste 15 månaderna, under vilka team har installerat och testat delar av injektorn vid SLAC, bygger på design- och testarbete under de senaste åren vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Det är en milstolpe som visar att det komplexa injektorsystemet fungerar och som gör att vi kan börja den avgörande uppgiften att optimera dess prestanda, "sa SLAC -acceleratorfysikern Feng Zhou, som ansvarar för igångkörning av LCLS-II-injektor. "Injektorn är ett mycket kritiskt system eftersom kvaliteten på elektronstrålen som den skapar har en enorm inverkan på kvaliteten på röntgenstrålar som i slutändan kommer ut ur LCLS-II."

Att göra röntgenstrålar med elektroner

Röntgenlasrar använder pulserade strålar av elektroner för att generera sitt röntgenljus. Dessa strålar får enorm energi i massiva linjära partikelacceleratorer och avger sedan en del av den energin i form av extremt ljusa röntgenblixtar när de flyger genom speciella magneter som kallas undulatorer.

Injektorns roll är att producera en elektronstråle med hög intensitet, ett litet tvärsnitt och minimal divergens, rätt puls och andra egenskaper som krävs för att uppnå bästa möjliga röntgenlaserprestanda.

Elektronerna som skjuts av injektorn kommer från en elektronpistol. Den består av en ihålig metallhålighet där blixtar av laserljus träffar en fotokatod som reagerar genom att släppa elektroner. Hålrummet är fyllt med ett radiofrekvensfält (RF) som ökar energin hos de frigjorda elektronerna och accelererar dem i klasar mot pistolens utgång.

Magneter och en annan RF -hålighet inuti injektorn klämmer elektronerna i mindre, kortare gäng, och en gaspedalsektion, installeras under de närmaste månaderna, kommer att öka buntarnas energi så att de kan komma in i huvudsträckan av röntgenlaserens linjära accelerator. Sträcker sig nästan en kilometer, denna supraledande accelerator kommer att öka elektronbuntarnas hastighet till nästan ljusets hastighet.

Miljonpulsutmaningen

Den mest känsliga injektorkomponenten är elektronpistolen, och för LCLS-II är de tekniska kraven större än någonsin, sa John Schmerge, biträdande direktör för SLAC:s acceleratordirektorat.

"Den första generationen av LCLS producerade 120 röntgenblixtar per sekund, vilket innebär att injektorlasern och RF -effekten bara behövde arbeta med den hastigheten, "sa han." LCLS-II, å andra sidan, kommer också att kunna skjuta upp till en miljon gånger per sekund, så RF -strömmen måste vara påslagen hela tiden och lasern måste arbeta i mycket högre takt. "

Detta skapar stora utmaningar.

Först, det kontinuerliga RF -fältet producerar mycket värme inuti hålrummet. Med en effekt motsvarande cirka 80 mikrovågsugnar som alltid arbetar med full effekt, det kan skada elektronpistolen och försämra dess prestanda.

För att hantera den stora mängden makt, LCLS-II-pistolen, som byggdes på Berkeley Lab, är utrustad med ett vattenkylsystem. Det är också mycket större än sin föregångare - flera fot snarare än tum i diameter - så värmen fördelas över en större yta.

"LCLS-II-projektet fick en flygande start, dra nytta av Berkeley Labs erfarenhet av att designa och driva denna unika elektronkälla, "sa SLAC:s John Galayda, som tills nyligen ledde LCLS-II-projektet. "Det fortsätter att vara ett fantastiskt samarbete som är avgörande för att bygga nästa generations röntgenlaser."

En annan utmaning är lasersystemet, sa Sasha Gilevich, SLAC-ingenjör med ansvar för LCLS-II-injektorlasern.

"För att producera elektroner effektivt, vi vill lysa ultraviolett ljus på fotokatoden, men det finns inget kommersiellt lasersystem som kan ge UV-pulser de unika egenskaper som krävs av LCLS-II med en hastighet av en miljon pulser per sekund, sa hon. istället vi skickar ljuset från en infraröd laser genom ett optiskt system som innehåller icke-linjära kristaller som omvandlar det till ultraviolett ljus. Men på grund av värmen som genereras i kristallerna, att göra denna omvandling med en så hög puls är mycket krävande, och vi håller fortfarande på att optimera vårt system för bästa prestanda. "

Ny elektronkälla, nya utmaningar

LCLS-II:s unika kapacitet kommer också att förlita sig på en högeffektiv fotokatod för att producera den första elektronbursten. Den består av en platt skiva - bara tiotals nanometer tjock och en centimeter i diameter - av en halvledare monterad på ett metallstöd. Detta gör att elektronerna kan produceras cirka 1, 000 gånger mer effektivt än med kopparkatoden som använts tidigare.

Men förskottet kommer med en avvägning, sa SLAC -acceleratorfysikern Theodore Vecchione:"Medan kopparkatoden varade i flera år, den nya är inte alls lika robust och kan bara vara några veckor. "

Det är därför Vecchione har fått i uppgift att inrätta en anläggning på labbet för att tillverka ett lager av katoder, som inte bara kan köpas från hyllan, och för att se till att LCLS-II-katoden kan bytas ut vid behov.

Nu när injektorn har genererat sina första elektroner, idrifttagningsgruppen kommer att tillbringa de närmaste månaderna med att optimera elektronstrålens egenskaper och automatisera injektorns kontroller. Dock, det blir inte förrän nästa år, när LCLS-II:s supraledande linjära accelerator har installerats, att de kommer att kunna testa hela injektorn, inklusive den korta acceleratorsektionen som ökar elektronenergin till 100 miljoner elektronvolt, och gör den redo att göra sitt jobb med att skapa några av de mest kraftfulla röntgenstrålar världen någonsin har sett.