Cada pulso de raio-X poderoso produzido para experimentos em um projeto de laser de próxima geração, agora em construção, começará com uma "faísca" - uma explosão de elétrons emitida quando um pulso de luz ultravioleta atinge um ponto de 1 milímetro de largura em uma superfície especialmente revestida.

Uma equipe do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) projetou e construiu uma versão exclusiva de um dispositivo, chamada de arma injetora, que pode produzir um fluxo constante desses feixes de elétrons que, em última análise, serão usados ​​para produzir pulsos de laser de raios-X brilhantes a uma taxa de disparo rápida de até 1 milhão por segundo.

O injetor chegou em 22 de janeiro no SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC) em Menlo Park, Califórnia, o local da Fonte de Luz Coerente Linac II (LCLS-II), um projeto de laser de elétrons livres de raios-X.

Pegando o ritmo

O injetor será uma das primeiras peças operacionais do novo laser de raios-X. O teste inicial do injetor começará logo após sua instalação.

O injetor alimentará feixes de elétrons em um acelerador de partículas supercondutoras que devem ser super-resfriadas a temperaturas extremamente baixas para conduzir eletricidade com perda quase zero. Os feixes de elétrons acelerados serão então usados ​​para produzir pulsos de laser de raios-X.

Os cientistas vão empregar os pulsos de raios-X para explorar a interação da luz e da matéria de novas maneiras, produzir sequências de instantâneos que podem criar filmes "em escala atômica e molecular, " por exemplo, para iluminar as mudanças químicas, efeitos magnéticos, e outros fenômenos que ocorrem em apenas quadrilionésimos (milhões de bilionésimos) de segundo.

Este novo laser irá complementar os experimentos com o laser de raios-X existente do SLAC, que foi lançado em 2009 e dispara até 120 pulsos de raios-X por segundo. Esse laser também será atualizado como parte do projeto LCLS-II.

O projeto da arma injetora reuniu cientistas da Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada do Berkeley Lab com engenheiros e tecnólogos da Divisão de Engenharia, o que o Diretor da Divisão de Engenharia Henrik von der Lippe descreveu como "mais uma história de sucesso de nossa parceria de longa data - (esta foi) muito dispositivo desafiador para projetar e construir. "

"A conclusão do projeto do injetor LCLS-II é o culminar de mais de três anos de esforço, "acrescentou Steve Virostek, um engenheiro sênior do Berkeley Lab que liderou a construção das armas. A equipe do Berkeley Lab incluía engenheiros mecânicos, físicos, engenheiros de radiofrequência, designers mecânicos, pessoal da oficina de fabricação, e técnicos de montagem.

"Praticamente todos na oficina de fabricação principal do Laboratório deram contribuições vitais, " ele adicionou, nas áreas de usinagem, Soldagem, brasagem, ultra-alto vácuo de limpeza, e medições de precisão.

A fonte do injetor é uma das principais contribuições do Berkeley Lab para o projeto LCLS-II, e baseia-se em sua experiência em projetos semelhantes de canhões de elétrons, incluindo a conclusão de um protótipo de arma. Quase uma década atrás, Os pesquisadores do Berkeley Lab começaram a construir um protótipo para o sistema injetor em uma área de teste de feixe na fonte de luz avançada do laboratório.

Esse esforço de sucesso, apelidado de APEX (Advanced Photoinjector Experiment), produziu um injetor funcional que, desde então, foi reaproveitado para experimentos que usam seu feixe de elétrons para estudar processos ultrarrápidos em escala atômica. Fernando Sannibale, Chefe de Física do Acelerador no ALS, liderou o desenvolvimento do protótipo da arma injetora.

"Esta é uma afirmação retumbante da importância da P&D de tecnologia básica, "disse Wim Leemans, diretor da Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada do Berkeley Lab. "Sabíamos que os usuários de fontes de luz de próxima geração precisariam de feixes de fótons com características excelentes, o que levou a requisitos de feixe de elétrons altamente exigentes. Como LCLS-II estava sendo definido, tínhamos uma excelente equipe já trabalhando em uma fonte que pudesse atender a esses requisitos. "

As lições aprendidas com o APEX inspiraram várias mudanças de design que são incorporadas no injetor LCLS-II, como um sistema de resfriamento aprimorado para evitar superaquecimento e deformações de metal, bem como processos de limpeza inovadores.

"Estamos ansiosos para continuar a colaboração com o Berkeley Lab durante o comissionamento da arma, "disse John Galayda do SLAC, Diretor de projeto LCLS-II. “Embora tenha certeza de que aprenderemos muito durante sua primeira operação no SLAC, A experiência operacional do Berkeley Lab com o APEX colocou o LCLS-II milhas à frente em seu caminho para atingir seus objetivos de desempenho e confiabilidade. "

Mike Dunne, Diretor LCLS no SLAC, adicionado, "O desempenho da pistola injetora é um componente crítico que impulsiona a operação geral de nossas instalações de laser de raio-X, por isso, estamos ansiosos para ver este sistema em operação no SLAC. O salto de 120 pulsos por segundo para 1 milhão por segundo será verdadeiramente transformador para nosso programa de ciências. "

Como funciona

Como uma bateria, o injetor tem componentes chamados ânodo e cátodo. Esses componentes formam uma câmara central de cobre selada a vácuo, conhecida como cavidade aceleradora de radiofrequência, que envia os feixes de elétrons de uma forma cuidadosamente controlada.

A cavidade é precisamente ajustada para operar em frequências muito altas e é circundada por uma série de canais que permitem que ela seja resfriada por água, evitando o superaquecimento das correntes de radiofrequência interagindo com o cobre na cavidade central do injetor.

Uma estrutura de cone de cobre dentro de sua cavidade central é revestida com um pedaço de molibdênio especialmente revestido e polido, conhecido como fotocátodo. A luz de um laser infravermelho é convertida em um laser de frequência ultravioleta (UV), e esta luz ultravioleta é dirigida por espelhos para um pequeno ponto no cátodo que é revestido com telureto de césio (Cs2Te), excitando os elétrons.

Esses elétrons são formados em feixes e acelerados pela cavidade, que vai, por sua vez, conectar ao acelerador supercondutor. Depois que esse feixe de elétrons é acelerado até quase a velocidade da luz, será mexido dentro de uma série de estruturas magnéticas poderosas chamadas segmentos ondulantes, estimular os elétrons a emitir luz de raios-X que é entregue aos experimentos.

Engenharia de precisão e limpeza impecável

Além da engenharia de precisão que era essencial para o injetor, Os pesquisadores do Berkeley Lab também desenvolveram processos para eliminar contaminantes de componentes por meio de um processo de polimento meticuloso e explodindo-os com pellets de gelo seco.

A limpeza final e a montagem dos componentes mais críticos do injetor foram realizadas em salas limpas de ar filtrado por funcionários vestindo roupas de proteção de corpo inteiro para reduzir ainda mais os contaminantes - a sala limpa de mais alta pureza usada na montagem final está realmente localizada dentro de uma sala limpa maior quarto no Berkeley Lab.

"O acelerador linear supercondutor é extremamente sensível a partículas, "como poeira e outros tipos de partículas minúsculas, Virostek disse. "Suas células de aceleração podem se tornar inutilizáveis, então tivemos que passar por algumas iterações de planejamento para limpar e montar nosso sistema com o mínimo de partículas possível. "

Os processos de limpeza à base de gelo seco funcionam como jato de areia, criando pequenas explosões que limpam a superfície dos componentes ejetando contaminantes. Em uma forma desse processo de limpeza, Os técnicos do Berkeley Lab contrataram um bico especializado para enviar um jato muito fino de gelo seco de alta pureza.

Após a montagem, o injetor foi selado a vácuo e preenchido com gás nitrogênio para estabilizá-lo para o transporte. Os cátodos do injetor se degradam com o tempo, e o injetor é equipado com uma "mala" de cátodos, também sob vácuo, que permite que os cátodos sejam trocados sem a necessidade de abrir o dispositivo.

"Cada vez que você abre, você corre o risco de contaminação, "Virostek explicou. Uma vez que todos os cátodos em uma mala são usados, a mala deve ser substituída por um novo conjunto de cátodos.

A operação geral e o ajuste da pistola injetora serão controlados remotamente, e há uma variedade de equipamentos de diagnóstico embutidos no injetor para ajudar a garantir um funcionamento suave.

Mesmo antes de o novo injetor ser instalado, O Berkeley Lab propôs realizar um estudo de projeto para um novo injetor que poderia gerar feixes de elétrons com mais do que o dobro da energia de saída. Isso permitiria imagens baseadas em raios-X de alta resolução para certos tipos de experimentos.

Contribuições do Berkeley Lab para LCLS-II

John Corlett, Líder da equipe sênior do Berkeley Lab, trabalhou em estreita colaboração com os gerentes de projeto LCLS-II no SLAC e com os gerentes do Berkeley Lab para concretizar o projeto do injetor.

"Além da fonte injetora, O Berkeley Lab também é responsável pelos segmentos do ondulador para ambas as linhas de feixe de laser de elétrons livres de raios-X LCLS-II, para a modelagem física do acelerador que otimizará seu desempenho, e para liderança técnica nos sistemas de controle de radiofrequência de baixo nível que estabilizam os campos do acelerador linear supercondutor, "Corlett observou.

James Symons, Diretor associado do Berkeley Lab para ciências físicas, disse, "O projeto LCLS-II forneceu um tremendo exemplo de como vários laboratórios podem reunir suas forças complementares para beneficiar a comunidade científica mais ampla. As capacidades do LCLS-II levarão à compreensão transformacional das reações químicas, e estou orgulhoso de nossa capacidade de contribuir para este importante projeto nacional. "

O LCLS-II está sendo construído no SLAC com importantes contribuições técnicas do Laboratório Nacional de Argonne, Fermilab, Jefferson Lab, Berkeley Lab, e Cornell University. A construção do LCLS-II é apoiada pelo Office of Science do DOE.