Cada potente pulso de rayos X producido para experimentos en un proyecto láser de próxima generación, ahora en construcción, comenzará con una "chispa":una explosión de electrones emitidos cuando un pulso de luz ultravioleta incide en un punto de 1 milímetro de ancho en una superficie especialmente revestida.

Un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Diseñó y construyó una versión única de un dispositivo, llamada pistola inyectora, que puede producir un flujo constante de estos grupos de electrones que finalmente se utilizarán para producir pulsos de láser de rayos X brillantes a una velocidad de disparo rápida de hasta 1 millón por segundo.

El inyector llegó el 22 de enero al Laboratorio Nacional Acelerador SLAC (SLAC) en Menlo Park, California, el sitio de la fuente de luz coherente Linac II (LCLS-II), un proyecto de láser de rayos X de electrones libres.

Ponerse al día

El inyector será una de las primeras piezas operativas del nuevo láser de rayos X. La prueba inicial del inyector comenzará poco después de su instalación.

El inyector alimentará grupos de electrones a un acelerador de partículas superconductoras que debe sobreenfriarse a temperaturas extremadamente bajas para conducir la electricidad con una pérdida casi nula. Los grupos de electrones acelerados se utilizarán para producir pulsos de láser de rayos X.

Los científicos emplearán los pulsos de rayos X para explorar la interacción de la luz y la materia de nuevas formas, producir secuencias de instantáneas que pueden crear películas a escala atómica y molecular, " por ejemplo, para iluminar los cambios químicos, efectos magnéticos, y otros fenómenos que ocurren en apenas cuadrillonésimas (millonésimas mil millonésimas) de segundo.

Este nuevo láser complementará los experimentos en el láser de rayos X existente de SLAC, que se lanzó en 2009 y dispara hasta 120 pulsos de rayos X por segundo. Ese láser también se actualizará como parte del proyecto LCLS-II.

El proyecto de la pistola inyectora reunió a científicos de la División de Física Aplicada y Tecnología Aceleradora de Berkeley Lab con ingenieros y tecnólogos de la División de Ingeniería en lo que el Director de la División de Ingeniería, Henrik von der Lippe, describió como "otra historia de éxito de nuestra asociación de larga data - (esta fue) una muy dispositivo desafiante de diseñar y construir ".

"La finalización del proyecto del inyector LCLS-II es la culminación de más de tres años de esfuerzo, "agregó Steve Virostek, un ingeniero senior de Berkeley Lab que dirigió la construcción de armas. El equipo de Berkeley Lab incluía ingenieros mecánicos, físicos, ingenieros de radiofrecuencia, diseñadores mecánicos, personal del taller de fabricación, y técnicos de montaje.

"Prácticamente todos en el taller de fabricación principal del laboratorio hicieron contribuciones vitales, "añadió, en las áreas de mecanizado, soldadura, soldadura, limpieza de ultra alto vacío, y mediciones de precisión.

La fuente del inyector es una de las principales contribuciones de Berkeley Lab al proyecto LCLS-II, y se basa en su experiencia en diseños de cañones de electrones similares, incluida la finalización de un arma prototipo. Hace casi una década, Los investigadores del laboratorio de Berkeley comenzaron a construir un prototipo para el sistema de inyectores en un área de prueba de haz en la fuente de luz avanzada del laboratorio.

Ese esfuerzo exitoso apodado APEX (Experimento de fotoinyector avanzado), produjo un inyector en funcionamiento que desde entonces ha sido reutilizado para experimentos que utilizan su haz de electrones para estudiar procesos ultrarrápidos a escala atómica. Fernando Sannibale, Jefe de Física de Aceleradores de la ALS, lideró el desarrollo del prototipo de pistola inyectora.

"Esta es una afirmación contundente de la importancia de la I + D de tecnología básica, "dijo Wim Leemans, director de la División de Física Aplicada y Tecnología Aceleradora de Berkeley Lab. "Sabíamos que los usuarios de fuentes de luz de próxima generación necesitarían haces de fotones con características exquisitas, lo que dio lugar a requisitos de haz de electrones muy exigentes. Como se estaba definiendo LCLS-II, ya teníamos un excelente equipo trabajando en una fuente que pudiera cumplir con esos requisitos ".

Las lecciones aprendidas con APEX inspiraron varios cambios de diseño que se incorporan en el inyector LCLS-II, como un sistema de refrigeración mejorado para evitar el sobrecalentamiento y las deformaciones del metal, así como innovadores procesos de limpieza.

"Esperamos seguir colaborando con Berkeley Lab durante la puesta en servicio del arma, "dijo John Galayda de SLAC, Director del proyecto LCLS-II. "Aunque estoy seguro de que aprenderemos mucho durante su primera operación en SLAC, La experiencia operativa de Berkeley Lab con APEX ha puesto a LCLS-II millas por delante en su camino hacia el logro de sus objetivos de rendimiento y confiabilidad ".

Mike Dunne, Director de LCLS en SLAC, adicional, "El rendimiento de la pistola del inyector es un componente crítico que impulsa el funcionamiento general de nuestra instalación de láser de rayos X, por lo que esperamos con gran interés ver este sistema en funcionamiento en SLAC. El salto de 120 pulsos por segundo a 1 millón por segundo será verdaderamente transformador para nuestro programa científico ".

Cómo funciona

Como una bateria el inyector tiene componentes llamados ánodo y cátodo. Estos componentes forman una cámara de cobre central sellada al vacío conocida como cavidad aceleradora de radiofrecuencia que envía los grupos de electrones de una manera cuidadosamente controlada.

La cavidad está sintonizada con precisión para operar a frecuencias muy altas y está rodeada de una serie de canales que permiten que se enfríe por agua. evitando el sobrecalentamiento de las corrientes de radiofrecuencia que interactúan con el cobre en la cavidad central del inyector.

Una estructura de cono de cobre dentro de su cavidad central tiene la punta de un trozo de molibdeno especialmente revestido y pulido conocido como fotocátodo. La luz de un láser infrarrojo se convierte en un láser de frecuencia ultravioleta (UV), y esta luz ultravioleta es dirigida por espejos hacia un pequeño punto en el cátodo que está cubierto con telururo de cesio (Cs2Te), excitando los electrones.

Estos electrones se forman en racimos y son acelerados por la cavidad, que lo hará, Sucesivamente, conéctese al acelerador superconductor. Después de que este haz de electrones se acelera a casi la velocidad de la luz, se moverá dentro de una serie de poderosas estructuras magnéticas llamadas segmentos onduladores, estimulando los electrones para que emitan luz de rayos X que se envía a los experimentos.

Ingeniería de precisión y limpieza impecable

Además de la ingeniería de precisión que era esencial para el inyector, Los investigadores de Berkeley Lab también desarrollaron procesos para eliminar los contaminantes de los componentes a través de un minucioso proceso de pulido y pulverizándolos con gránulos de hielo seco.

La limpieza final y el ensamblaje de los componentes más críticos del inyector se llevaron a cabo en salas limpias con aire filtrado por empleados que vestían ropa protectora de cuerpo entero para reducir aún más los contaminantes; la sala limpia de mayor pureza utilizada en el ensamblaje final en realidad se encuentra dentro de una sala limpia más grande habitación en Berkeley Lab.

"El acelerador lineal superconductor es extremadamente sensible a las partículas, "como el polvo y otros tipos de partículas diminutas, Virostek dijo. "Sus células aceleradoras pueden volverse inutilizables, así que tuvimos que pasar por varias iteraciones de planificación para limpiar y ensamblar nuestro sistema con la menor cantidad de partículas posible ".

Los procesos de limpieza a base de hielo seco funcionan como el chorro de arena, creando pequeñas explosiones que limpian la superficie de componentes expulsando contaminantes. En una forma de este proceso de limpieza, Los técnicos de Berkeley Lab utilizaron una boquilla especializada para inyectar un chorro muy fino de hielo seco de alta pureza.

Después del montaje, el inyector se selló al vacío y se llenó con gas nitrógeno para estabilizarlo para su envío. Los cátodos del inyector se degradan con el tiempo, y el inyector está equipado con una "maleta" de cátodos, también al vacío, que permite cambiar los cátodos sin necesidad de abrir el dispositivo.

"Cada vez que lo abres, corres el riesgo de contaminación, "Explicó Virostek. Una vez que se hayan agotado todos los cátodos de una maleta, la maleta debe ser reemplazada por un nuevo juego de cátodos.

El funcionamiento general y el ajuste de la pistola del inyector se controlarán de forma remota, y hay una variedad de equipos de diagnóstico integrados en el inyector para ayudar a garantizar un funcionamiento sin problemas.

Incluso antes de instalar el nuevo inyector, Berkeley Lab ha propuesto realizar un estudio de diseño para un nuevo inyector que podría generar haces de electrones con más del doble de energía de salida. Esto permitiría imágenes basadas en rayos X de mayor resolución para ciertos tipos de experimentos.

Contribuciones del laboratorio de Berkeley a LCLS-II

John Corlett, Líder senior del equipo de Berkeley Lab, trabajó en estrecha colaboración con los gerentes de proyecto LCLS-II en SLAC y con los gerentes de Berkeley Lab para llevar a buen término el proyecto del inyector.

"Además de la fuente del inyector, Berkeley Lab también es responsable de los segmentos onduladores para ambas líneas de rayos láser de electrones libres de rayos X LCLS-II, para el modelado de la física del acelerador que optimizará su rendimiento, y para el liderazgo técnico en los sistemas de control de radiofrecuencia de bajo nivel que estabilizan los campos de aceleradores lineales superconductores, "Señaló Corlett.

James Symons, Director asociado de ciencias físicas de Berkeley Lab, dijo, "El proyecto LCLS-II ha proporcionado un gran ejemplo de cómo varios laboratorios pueden unir sus fortalezas complementarias para beneficiar a la comunidad científica en general. Las capacidades de LCLS-II conducirán a una comprensión transformadora de las reacciones químicas, y estoy orgulloso de nuestra capacidad para contribuir a este importante proyecto nacional ".

LCLS-II se está construyendo en SLAC con importantes contribuciones técnicas del Laboratorio Nacional Argonne, Fermilab, Laboratorio de Jefferson, Laboratorio de Berkeley, y la Universidad de Cornell. La construcción de LCLS-II cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE.