Ogni potente impulso a raggi X prodotto per esperimenti in un progetto laser di nuova generazione, ora in costruzione, inizierà con una "scintilla" - un'esplosione di elettroni emessa quando un impulso di luce ultravioletta colpisce un punto largo 1 millimetro su una superficie appositamente rivestita.

Un team del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha progettato e realizzato una versione unica di un dispositivo, chiamato pistola a iniettore, che può produrre un flusso costante di questi fasci di elettroni che alla fine verranno utilizzati per produrre brillanti impulsi laser a raggi X a una velocità di fuoco rapida fino a 1 milione al secondo.

L'iniettore è arrivato il 22 gennaio allo SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC) a Menlo Park, California, il sito della Linac Coherent Light Source II (LCLS-II), un progetto laser a raggi X a elettroni liberi.

Al passo con i tempi

L'iniettore sarà uno dei primi pezzi operativi del nuovo laser a raggi X. Il test iniziale dell'iniettore inizierà poco dopo la sua installazione.

L'iniettore alimenterà grappoli di elettroni in un acceleratore di particelle superconduttore che deve essere superraffreddato a temperature estremamente basse per condurre elettricità con perdita quasi zero. I fasci di elettroni accelerati verranno quindi utilizzati per produrre impulsi laser a raggi X.

Gli scienziati utilizzeranno gli impulsi a raggi X per esplorare l'interazione tra luce e materia in modi nuovi, producendo sequenze di istantanee che possono creare "filmati su scala atomica e molecolare, " Per esempio, per illuminare i cambiamenti chimici, effetti magnetici, e altri fenomeni che si verificano in appena quadrilionesimi (milionesimi) di secondo.

Questo nuovo laser completerà gli esperimenti al laser a raggi X esistente di SLAC, lanciato nel 2009 e spara fino a 120 impulsi di raggi X al secondo. Quel laser sarà anche aggiornato come parte del progetto LCLS-II.

Il progetto della pistola a iniettore ha unito gli scienziati della divisione di tecnologia degli acceleratori e fisica applicata del Berkeley Lab con ingegneri e tecnici della divisione di ingegneria in quella che il direttore della divisione di ingegneria Henrik von der Lippe ha descritto come "l'ennesimo successo della nostra partnership di lunga data - (era) un dispositivo impegnativo da progettare e costruire."

"Il completamento del progetto dell'iniettore LCLS-II è il culmine di oltre tre anni di sforzi, " ha aggiunto Steve Virostek, un ingegnere senior del Berkeley Lab che ha guidato la costruzione della pistola. Il team del Berkeley Lab comprendeva ingegneri meccanici, fisici, ingegneri della radiofrequenza, progettisti meccanici, personale del negozio di fabbricazione, e tecnici di montaggio.

"Praticamente tutti nel laboratorio di fabbricazione principale del laboratorio hanno dato un contributo vitale, " Ha aggiunto, nei settori della lavorazione, saldatura, brasatura, pulizia ad altissimo vuoto, e misurazioni di precisione.

La sorgente dell'iniettore è uno dei maggiori contributi di Berkeley Lab al progetto LCLS-II, e si basa sulla sua esperienza in progetti simili di cannoni elettronici, compreso il completamento di un prototipo di pistola. Quasi un decennio fa, I ricercatori del Berkeley Lab hanno iniziato a costruire un prototipo per il sistema di iniettore in un'area di test del fascio presso la sorgente di luce avanzata del laboratorio.

Quello sforzo riuscito, soprannominato APEX (esperimento avanzato di fotoiniettore), ha prodotto un iniettore funzionante che da allora è stato riproposto per esperimenti che utilizzano il suo fascio di elettroni per studiare processi ultraveloci su scala atomica. Fernando Sannibale, Responsabile della fisica degli acceleratori presso la SLA, ha guidato lo sviluppo del prototipo di pistola iniettore.

"Questa è una clamorosa affermazione dell'importanza della ricerca e sviluppo della tecnologia di base, " disse Wim Leemans, direttore della divisione di tecnologia degli acceleratori e fisica applicata del Berkeley Lab. "Sapevamo che gli utenti delle sorgenti luminose di nuova generazione avrebbero avuto bisogno di fasci di fotoni con caratteristiche squisite, che ha portato a requisiti di fascio di elettroni molto esigenti. Poiché LCLS-II veniva definito, avevamo un eccellente team già al lavoro su una fonte in grado di soddisfare tali requisiti."

Le lezioni apprese con APEX hanno ispirato diverse modifiche al design che sono incorporate nell'iniettore LCLS-II, come un sistema di raffreddamento migliorato per prevenire il surriscaldamento e le deformazioni del metallo, così come innovativi processi di pulizia.

"Non vediamo l'ora di continuare la collaborazione con Berkeley Lab durante la messa in servizio della pistola, " ha detto John Galayda di SLAC, Direttore del progetto LCLS-II. "Anche se sono sicuro che impareremo molto durante la sua prima operazione allo SLAC, L'esperienza operativa di Berkeley Lab con APEX ha permesso a LCLS-II di raggiungere i suoi obiettivi di prestazioni e affidabilità."

Mike Dunne, Direttore LCLS presso SLAC, aggiunto, "Le prestazioni della pistola dell'iniettore sono un componente fondamentale che guida il funzionamento complessivo della nostra struttura laser a raggi X, quindi non vediamo l'ora di vedere questo sistema in funzione allo SLAC. Il salto da 120 impulsi al secondo a 1 milione al secondo sarà davvero trasformativo per il nostro programma scientifico".

Come funziona

Come una batteria, l'iniettore ha componenti chiamati anodo e catodo. Questi componenti formano una camera centrale in rame sigillata sotto vuoto nota come cavità acceleratrice di radiofrequenza che invia i fasci di elettroni in modo attentamente controllato.

La cavità è sintonizzata con precisione per funzionare a frequenze molto alte ed è circondata da una serie di canali che le consentono di essere raffreddata ad acqua, impedendo il surriscaldamento delle correnti a radiofrequenza che interagiscono con il rame nella cavità centrale dell'iniettore.

Una struttura a cono di rame all'interno della sua cavità centrale è dotata di uno spezzone di molibdeno appositamente rivestito e lucidato noto come fotocatodo. La luce di un laser a infrarossi viene convertita in un laser a frequenza ultravioletta (UV), e questa luce UV è diretta da specchi su un piccolo punto sul catodo che è rivestito con tellururo di cesio (Cs2Te), eccitando gli elettroni.

Questi elettroni sono formati in grappoli e accelerati dalla cavità, che sarà, a sua volta, collegarsi all'acceleratore superconduttore. Dopo che questo fascio di elettroni viene accelerato quasi alla velocità della luce, sarà oscillato all'interno di una serie di potenti strutture magnetiche chiamate segmenti ondulatori, stimolando gli elettroni ad emettere luce a raggi X che viene fornita agli esperimenti.

Ingegneria di precisione e pulizia impeccabile

Oltre alla meccanica di precisione che era essenziale per l'iniettore, I ricercatori del Berkeley Lab hanno anche sviluppato processi per eliminare i contaminanti dai componenti attraverso un accurato processo di lucidatura e facendoli saltare con granuli di ghiaccio secco.

La pulizia finale e l'assemblaggio dei componenti più critici dell'iniettore sono stati eseguiti in camere bianche con aria filtrata da dipendenti che indossavano indumenti protettivi per tutto il corpo per ridurre ulteriormente i contaminanti:la camera bianca di massima purezza utilizzata nell'assemblaggio finale è in realtà ospitata all'interno di una camera pulita più grande stanza al Berkeley Lab.

"L'acceleratore lineare superconduttore è estremamente sensibile al particolato, " come polvere e altri tipi di particelle minuscole, ha detto Virostek. "Le sue cellule in accelerazione possono diventare inutilizzabili, quindi abbiamo dovuto affrontare alcune iterazioni di pianificazione per pulire e assemblare il nostro sistema con il minor numero di particolato possibile".

I processi di pulizia a base di ghiaccio secco funzionano come la sabbiatura, creando minuscole esplosioni che puliscono la superficie dei componenti espellendo i contaminanti. In una forma di questo processo di pulizia, I tecnici del Berkeley Lab hanno arruolato un ugello specializzato per emettere un flusso molto sottile di ghiaccio secco di elevata purezza.

Dopo il montaggio, l'iniettore è stato sigillato sotto vuoto e riempito di gas azoto per stabilizzarlo per la spedizione. I catodi dell'iniettore si degradano nel tempo, e l'iniettore è dotato di una "valigia" di catodi, anche sotto vuoto, che consente di sostituire i catodi senza la necessità di aprire il dispositivo.

"Ogni volta che lo apri rischi di contaminarti, " Ha spiegato Virostek. Una volta esauriti tutti i catodi in una valigia, la valigia deve essere sostituita con un nuovo set di catodi.

Il funzionamento generale e la messa a punto della pistola dell'iniettore saranno controllati a distanza, e c'è una varietà di apparecchiature diagnostiche integrate nell'iniettore per aiutare a garantire un funzionamento regolare.

Anche prima dell'installazione del nuovo iniettore, Berkeley Lab ha proposto di intraprendere uno studio di progettazione per un nuovo iniettore che potrebbe generare fasci di elettroni con più del doppio dell'energia di uscita. Ciò consentirebbe immagini basate su raggi X a risoluzione più elevata per determinati tipi di esperimenti.

Contributi del Berkeley Lab a LCLS-II

John Corlett, Capo del team senior di Berkeley Lab, ha lavorato a stretto contatto con i project manager LCLS-II di SLAC e con i manager del Berkeley Lab per portare a compimento il progetto dell'iniettore.

"Oltre alla sorgente dell'iniettore, Berkeley Lab è anche responsabile dei segmenti ondulatori per entrambe le linee di luce laser a elettroni liberi a raggi X LCLS-II, per la modellazione fisica dell'acceleratore che ne ottimizzerà le prestazioni, e per la leadership tecnica nei sistemi di controllo a radiofrequenza di basso livello che stabilizzano i campi di acceleratori lineari superconduttori, " ha osservato Corlett.

James Symons, Direttore associato del Berkeley Lab per le scienze fisiche, disse, "Il progetto LCLS-II ha fornito un eccezionale esempio di come più laboratori possono unire i loro punti di forza complementari a beneficio della più ampia comunità scientifica. Le capacità di LCLS-II porteranno alla comprensione della trasformazione delle reazioni chimiche, e sono orgoglioso della nostra capacità di contribuire a questo importante progetto nazionale".

LCLS-II è in costruzione presso lo SLAC con importanti contributi tecnici da Argonne National Laboratory, Fermilab, Jefferson Lab, Laboratorio di Berkeley, e Cornell University. La costruzione di LCLS-II è supportata dall'Office of Science del DOE.