Le squadre del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia hanno potenziato un nuovo cannone elettronico, un componente chiave dell'aggiornamento del laboratorio del suo laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS), e la notte scorsa ha sparato i suoi primi elettroni.

Situato nella parte anteriore della macchina di nuova generazione nota come LCLS-II, la pistola fa parte di quello che viene chiamato un iniettore, che genererà un flusso quasi continuo di elettroni per guidare la produzione di potenti fasci di raggi X a una velocità pari a 8, 000 volte più veloce di LCLS fino ad oggi.

Il successo della produzione di elettroni è stato il culmine degli ultimi 15 mesi, durante il quale le squadre hanno installato e testato parti dell'iniettore presso SLAC, basandosi sul lavoro di progettazione e collaudo degli ultimi anni presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE.

"È una pietra miliare che mostra il funzionamento del complesso sistema di iniettori e che ci consente di iniziare il compito cruciale di ottimizzarne le prestazioni, ", ha affermato il fisico dell'acceleratore SLAC Feng Zhou, chi è responsabile della messa in servizio dell'iniettore LCLS-II. "L'iniettore è un sistema molto critico perché la qualità del fascio di elettroni che crea ha un enorme effetto sulla qualità dei raggi X che alla fine usciranno da LCLS-II".

Fare raggi X con gli elettroni

I laser a raggi X utilizzano fasci di elettroni pulsati per generare la loro luce a raggi X. Questi raggi acquisiscono un'enorme energia in enormi acceleratori di particelle lineari e poi cedono parte di quell'energia sotto forma di lampi di raggi X estremamente luminosi quando volano attraverso speciali magneti noti come ondulatori.

Il ruolo dell'iniettore è quello di produrre un fascio di elettroni ad alta intensità, una piccola sezione trasversale e una divergenza minima, la giusta frequenza del polso e altre proprietà necessarie per ottenere le migliori prestazioni possibili del laser a raggi X.

Gli elettroni sparati dall'iniettore provengono da un cannone elettronico. È costituito da una cavità metallica cava dove lampi di luce laser colpiscono un fotocatodo che risponde rilasciando elettroni. La cavità è riempita con un campo a radiofrequenza (RF) che aumenta l'energia degli elettroni liberati e li accelera a grappoli verso l'uscita del cannone.

I magneti e un'altra cavità RF all'interno dell'iniettore comprimono gli elettroni in più piccoli, grappoli più corti, e una sezione di accelerazione, da installare nei prossimi mesi, aumenterà l'energia dei grappoli per consentire loro di entrare nel tratto principale dell'acceleratore lineare del laser a raggi X. Lunga quasi un chilometro, questo acceleratore superconduttore aumenterà la velocità dei fasci di elettroni quasi alla velocità della luce.

La sfida da un milione di impulsi

Il componente più delicato dell'iniettore è il cannone elettronico, e per LCLS-II le esigenze tecniche sono più grandi che mai, disse John Schmerge, vicedirettore della direzione degli acceleratori di SLAC.

"La prima generazione di LCLS ha prodotto 120 lampi di raggi X al secondo, il che significa che il laser dell'iniettore e la potenza RF dovevano funzionare solo a quella velocità, " ha detto. "LCLS-II, d'altra parte, avrà anche la capacità di sparare fino a un milione di volte al secondo, quindi la potenza RF deve essere sempre accesa e il laser deve funzionare a una velocità molto più elevata."

Questo crea grandi sfide.

Primo, il campo RF continuo produce molto calore all'interno della cavità. Con una potenza equivalente a circa 80 forni a microonde funzionanti sempre a piena potenza, potrebbe danneggiare il cannone elettronico e degradarne le prestazioni.

Per gestire la grande quantità di potenza, la pistola LCLS-II, che è stato costruito al Berkeley Lab, è dotato di un sistema di raffreddamento ad acqua. È anche molto più grande del suo predecessore, diversi piedi anziché pollici di diametro, quindi il calore viene distribuito su una superficie più ampia.

"Il progetto LCLS-II è partito alla grande, approfittando dell'esperienza di Berkeley Lab nella progettazione e gestione di questa sorgente di elettroni unica, " ha detto John Galayda di SLAC, che fino a poco tempo fa ha guidato il progetto LCLS-II. "Continua a essere una grande collaborazione cruciale nella costruzione del laser a raggi X di prossima generazione".

Un'altra sfida è il sistema laser, disse Sasha Gilevich, Ingegnere SLAC responsabile del laser iniettore LCLS-II.

"Per produrre elettroni in modo efficiente, vogliamo far brillare la luce ultravioletta sul fotocatodo, ma non esiste un sistema laser commerciale in grado di fornire impulsi UV con le proprietà uniche richieste da LCLS-II alla velocità di un milione di impulsi al secondo, " ha detto. "Invece, inviamo la luce di un laser a infrarossi attraverso un sistema ottico contenente cristalli non lineari che la convertono in luce ultravioletta. Ma a causa del calore generato nei cristalli, fare questa conversione a una frequenza così elevata è molto impegnativo, e stiamo ancora ottimizzando il nostro sistema per ottenere le migliori prestazioni".

Nuova sorgente di elettroni, nuove sfide

Le capacità uniche di LCLS-II si baseranno anche su un fotocatodo ad alta efficienza per produrre il burst di elettroni iniziale. È costituito da un disco piatto, spesso solo decine di nanometri e un centimetro di diametro, di un semiconduttore montato su un supporto metallico. Ciò consente agli elettroni di essere prodotti circa 1, 000 volte più efficiente rispetto al catodo di rame utilizzato in precedenza.

Ma l'anticipo arriva con un compromesso, ha detto il fisico dell'acceleratore SLAC Theodore Vecchione:"Mentre il catodo di rame è durato per anni, quello nuovo non è altrettanto robusto e può durare solo poche settimane."

Ecco perché Vecchione è stato incaricato di allestire una struttura presso il laboratorio per fabbricare una scorta di catodi, che non può essere semplicemente acquistato dallo scaffale, e per assicurarsi che il catodo LCLS-II possa essere sostituito quando necessario.

Ora che l'iniettore ha generato i suoi primi elettroni, il team di commissioning trascorrerà i prossimi mesi ad ottimizzare le proprietà del fascio di elettroni e ad automatizzare i controlli dell'iniettore. Però, non sarà fino al prossimo anno, quando è stato installato l'acceleratore lineare superconduttore di LCLS-II, che saranno in grado di testare l'iniettore pieno, compresa la breve sezione dell'acceleratore che aumenterà l'energia degli elettroni a 100 milioni di elettronvolt, e preparalo a fare il suo lavoro generando alcuni dei raggi X più potenti che il mondo abbia mai visto.