Los equipos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía han encendido un nuevo cañón de electrones, un componente clave de la actualización del laboratorio de su láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac (LCLS), y anoche disparó sus primeros electrones.

Ubicado en la parte delantera de la máquina de próxima generación conocida como LCLS-II, la pistola es parte de lo que se llama inyector, que generará una corriente casi continua de electrones para impulsar la producción de potentes haces de rayos X a una velocidad de 8, 000 veces más rápido que LCLS hasta la fecha.

La exitosa producción de electrones fue la culminación de los últimos 15 meses, durante el cual los equipos han instalado y probado partes del inyector en SLAC, basándose en el trabajo de diseño y pruebas de los últimos años en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE.

"Es un hito que muestra que el complejo sistema de inyectores está funcionando y que nos permite comenzar la tarea crucial de optimizar su rendimiento, "dijo el físico del acelerador SLAC Feng Zhou, quién está a cargo de la puesta en servicio del inyector LCLS-II. "El inyector es un sistema muy crítico porque la calidad del haz de electrones que crea tiene un efecto enorme en la calidad de los rayos X que finalmente saldrán de LCLS-II".

Haciendo rayos X con electrones

Los láseres de rayos X utilizan haces pulsados ​​de electrones para generar su luz de rayos X. Estos rayos obtienen una tremenda energía en aceleradores de partículas lineales masivos y luego emiten algo de esa energía en forma de destellos de rayos X extremadamente brillantes cuando vuelan a través de imanes especiales conocidos como onduladores.

La función del inyector es producir un haz de electrones con alta intensidad, una pequeña sección transversal y una mínima divergencia, la frecuencia de pulso correcta y otras propiedades necesarias para lograr el mejor rendimiento posible del láser de rayos X.

Los electrones disparados por el inyector provienen de un cañón de electrones. Consiste en una cavidad metálica hueca donde los destellos de luz láser inciden en un fotocátodo que responde liberando electrones. La cavidad está llena de un campo de radiofrecuencia (RF) que aumenta la energía de los electrones liberados y los acelera en grupos hacia la salida del arma.

Los imanes y otra cavidad de RF dentro del inyector comprimen los electrones en racimos más cortos, y una sección de acelerador, que se instalará en los próximos meses, aumentará la energía de los racimos para permitirles entrar en el tramo principal del acelerador lineal del láser de rayos X. Abarcando casi un kilómetro de longitud, este acelerador superconductor aumentará la velocidad de los grupos de electrones hasta casi la velocidad de la luz.

El desafío del millón de pulsos

El componente del inyector más delicado es el cañón de electrones, y para LCLS-II las exigencias técnicas son mayores que nunca, dijo John Schmerge, subdirector de la Dirección Aceleradora de SLAC.

"La primera generación de LCLS produjo 120 destellos de rayos X por segundo, lo que significa que el láser del inyector y la potencia de RF solo tenían que funcionar a esa velocidad, ", dijo." LCLS-II, por otra parte, también tendrá la capacidad de disparar hasta un millón de veces por segundo, por lo que la potencia de RF debe estar encendida todo el tiempo y el láser debe funcionar a una velocidad mucho más alta ".

Esto crea grandes desafíos.

Primero, el campo de RF continuo produce mucho calor dentro de la cavidad. Con una potencia equivalente a unos 80 hornos microondas funcionando a máxima potencia en todo momento, podría dañar el cañón de electrones y degradar su rendimiento.

Para manejar la gran cantidad de energía, la pistola LCLS-II, que fue construido en Berkeley Lab, está equipado con un sistema de refrigeración por agua. También es mucho más grande que su predecesor (varios pies en lugar de pulgadas de diámetro), por lo que el calor se distribuye sobre una superficie mayor.

"El proyecto LCLS-II tuvo un comienzo espectacular, aprovechando la experiencia de Berkeley Lab en el diseño y funcionamiento de esta fuente de electrones única, "dijo John Galayda de SLAC, quien hasta hace poco lideró el proyecto LCLS-II. "Sigue siendo una gran colaboración que es crucial en la construcción del láser de rayos X de próxima generación".

Otro desafío es el sistema láser, dijo Sasha Gilevich, Ingeniero SLAC a cargo del inyector láser LCLS-II.

"Para producir electrones de manera eficiente, queremos iluminar el fotocátodo con luz ultravioleta, pero no existe un sistema láser comercial capaz de proporcionar pulsos UV con las propiedades únicas requeridas por LCLS-II a razón de un millón de pulsos por segundo, ", dijo." En cambio, enviamos la luz de un láser infrarrojo a través de un sistema óptico que contiene cristales no lineales que la convierten en luz ultravioleta. Pero debido al calor generado en los cristales, hacer esta conversión a una frecuencia de pulso tan alta es muy exigente, y todavía estamos en el proceso de optimizar nuestro sistema para obtener el mejor rendimiento ".

Nueva fuente de electrones, nuevos desafios

Las capacidades únicas de LCLS-II también dependerán de un fotocátodo de alta eficiencia para producir la ráfaga inicial de electrones. Consiste en un disco plano —sólo decenas de nanómetros de espesor y un centímetro de diámetro— de un semiconductor montado sobre un soporte metálico. Esto permite que los electrones se produzcan aproximadamente 1, 000 veces más eficiente que con el cátodo de cobre utilizado anteriormente.

Pero el avance viene con una compensación, dijo el físico del acelerador SLAC Theodore Vecchione:"Mientras que el cátodo de cobre duró años, el nuevo no es tan sólido y puede durar solo unas pocas semanas ".

Es por eso que a Vecchione se le ha encomendado la tarea de establecer una instalación en el laboratorio para fabricar una reserva de cátodos, que no se pueden comprar simplemente en el estante, y para asegurarse de que el cátodo LCLS-II se pueda reemplazar cuando sea necesario.

Ahora que el inyector ha generado sus primeros electrones, el equipo de puesta en servicio pasará los próximos meses optimizando las propiedades del haz de electrones y automatizando los controles de los inyectores. Sin embargo, no será hasta el año que viene, cuando se ha instalado el acelerador lineal superconductor de LCLS-II, que podrán probar el inyector completo, incluida la sección corta del acelerador que aumentará la energía de los electrones a 100 millones de electronvoltios, y prepárelo para hacer su trabajo de generar algunos de los rayos X más poderosos que el mundo haya visto.