Equipes do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia acionaram um novo canhão de elétrons, um componente-chave da atualização do laboratório de seu laser de raios-X Linac Coherent Light Source (LCLS), e ontem à noite disparou seus primeiros elétrons.

Localizado na extremidade dianteira da máquina de próxima geração conhecida como LCLS-II, a arma é parte do que é chamado de injetor, que irá gerar um fluxo quase contínuo de elétrons para conduzir a produção de poderosos feixes de raios-X a uma taxa de 8, 000 vezes mais rápido do que o LCLS até o momento.

A produção bem-sucedida de elétrons foi o ponto culminante dos últimos 15 meses, durante o qual as equipes instalaram e testaram as peças do injetor no SLAC, com base no trabalho de design e teste ao longo dos últimos anos no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE.

“É um marco que mostra que o complexo sistema injetor está funcionando e que nos permite iniciar a tarefa crucial de otimizar seu desempenho, "disse o físico acelerador SLAC Feng Zhou, que é responsável pelo comissionamento do injetor LCLS-II. "O injetor é um sistema muito crítico porque a qualidade do feixe de elétrons que ele cria tem um grande efeito na qualidade dos raios X que acabarão saindo do LCLS-II."

Fazendo raios X com elétrons

Os lasers de raios-X usam feixes de elétrons pulsados ​​para gerar sua luz de raios-X. Esses feixes ganham uma energia tremenda em aceleradores de partículas lineares massivas e, em seguida, emitem parte dessa energia na forma de flashes de raios-X extremamente brilhantes quando voam através de ímãs especiais conhecidos como onduladores.

A função do injetor é produzir um feixe de elétrons com alta intensidade, uma pequena seção transversal e divergência mínima, a taxa de pulso certa e outras propriedades necessárias para alcançar o melhor desempenho possível do laser de raios-X.

Os elétrons disparados pelo injetor vêm de um canhão de elétrons. Consiste em uma cavidade de metal oca onde flashes de luz laser atingem um fotocátodo que responde liberando elétrons. A cavidade é preenchida por um campo de radiofrequência (RF) que aumenta a energia dos elétrons liberados e os acelera em cachos em direção à saída do canhão.

Os ímãs e outra cavidade de RF dentro do injetor comprimem os elétrons em partes menores, cachos mais curtos, e uma seção aceleradora, a ser instalado nos próximos meses, aumentará a energia dos cachos para permitir que eles entrem no trecho principal do acelerador linear do laser de raios-X. Com quase um quilômetro de comprimento, este acelerador supercondutor aumentará a velocidade dos feixes de elétrons até quase a velocidade da luz.

O desafio de um milhão de pulsos

O componente injetor mais delicado é o canhão de elétrons, e para LCLS-II as demandas técnicas são maiores do que nunca, disse John Schmerge, vice-diretor da Diretoria de Aceleradores do SLAC.

"A primeira geração de LCLS produziu 120 flashes de raios-X por segundo, o que significa que o laser injetor e a potência de RF só precisavam operar nessa taxa, "disse ele." LCLS-II, por outro lado, também terá a capacidade de disparar até um milhão de vezes por segundo, portanto, a potência de RF precisa estar ligada o tempo todo e o laser precisa trabalhar em uma taxa muito mais alta. "

Isso cria grandes desafios.

Primeiro, o campo RF contínuo produz muito calor dentro da cavidade. Com uma potência equivalente a cerca de 80 fornos de microondas operando com potência total o tempo todo, isso poderia danificar o canhão de elétrons e degradar seu desempenho.

Para lidar com a grande quantidade de energia, a arma LCLS-II, que foi construído no Berkeley Lab, está equipado com um sistema de refrigeração de água. Ele também é muito maior do que seu antecessor - vários metros em vez de centímetros de diâmetro - de modo que o calor é distribuído por uma área de superfície maior.

"O projeto LCLS-II começou da melhor maneira, lucrando com a experiência do Berkeley Lab projetando e executando esta fonte única de elétrons, "disse John Galayda do SLAC, que até recentemente liderou o projeto LCLS-II. "Continua a ser uma grande colaboração crucial na construção do laser de raios X de próxima geração."

Outro desafio é o sistema de laser, disse Sasha Gilevich, Engenheiro do SLAC responsável pelo injetor a laser LCLS-II.

"Para produzir elétrons de forma eficiente, queremos iluminar o fotocátodo com luz ultravioleta, mas não existe um sistema de laser comercial capaz de fornecer pulsos de UV com as propriedades exclusivas exigidas pelo LCLS-II à taxa de um milhão de pulsos por segundo, "ela disse." Em vez disso, enviamos a luz de um laser infravermelho por um sistema óptico contendo cristais não lineares que a convertem em luz ultravioleta. Mas por causa do calor gerado nos cristais, fazer essa conversão em uma taxa de pulso tão alta é muito exigente, e ainda estamos otimizando nosso sistema para obter o melhor desempenho. "

Nova fonte de elétrons, novos desafios

Os recursos exclusivos do LCLS-II também contarão com um fotocátodo de alta eficiência para produzir a explosão inicial de elétrons. Ele consiste em um disco plano - com apenas dezenas de nanômetros de espessura e um centímetro de diâmetro - de um semicondutor montado em um suporte de metal. Isso permite que os elétrons sejam produzidos cerca de 1, 000 vezes mais eficientemente do que com o cátodo de cobre usado anteriormente.

Mas o avanço vem com uma compensação, disse o físico acelerador do SLAC Theodore Vecchione:"Enquanto o cátodo de cobre durou anos, o novo não é tão robusto e pode durar apenas algumas semanas. "

É por isso que a Vecchione foi encarregada de montar uma instalação no laboratório para fabricar um estoque de cátodos, que não pode ser simplesmente comprado na prateleira, e certificar-se de que o cátodo LCLS-II pode ser substituído sempre que necessário.

Agora que o injetor gerou seus primeiros elétrons, a equipe de comissionamento passará os próximos meses otimizando as propriedades do feixe de elétrons e automatizando os controles do injetor. Contudo, não será até o próximo ano, quando o acelerador linear supercondutor do LCLS-II foi instalado, que eles serão capazes de testar o injetor completo, incluindo a curta seção do acelerador que aumentará a energia do elétron para 100 milhões de elétron-volts, e deixe-o pronto para fazer seu trabalho de gerar alguns dos raios X mais poderosos que o mundo já viu.