Chaque puissante impulsion de rayons X produite pour les expériences d'un projet laser de nouvelle génération, maintenant en construction, commencera par une "étincelle" - une explosion d'électrons émise lorsqu'une impulsion de lumière ultraviolette frappe un point de 1 millimètre de large sur une surface spécialement revêtue.

Une équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie a conçu et construit une version unique d'un appareil, appelé pistolet injecteur, qui peuvent produire un flux constant de ces paquets d'électrons qui seront finalement utilisés pour produire des impulsions laser à rayons X brillantes à une cadence de tir rapide pouvant atteindre 1 million par seconde.

L'injecteur est arrivé le 22 janvier au SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC) à Menlo Park, Californie, le site de la source de lumière cohérente Linac II (LCLS-II), un projet de laser à électrons libres à rayons X.

Prendre de la vitesse

L'injecteur sera l'une des premières pièces opérationnelles du nouveau laser à rayons X. Les tests initiaux de l'injecteur commenceront peu de temps après son installation.

L'injecteur alimentera des paquets d'électrons dans un accélérateur de particules supraconducteur qui doit être surfondu à des températures extrêmement basses pour conduire l'électricité avec une perte presque nulle. Les paquets d'électrons accélérés seront ensuite utilisés pour produire des impulsions laser à rayons X.

Les scientifiques utiliseront les impulsions de rayons X pour explorer l'interaction de la lumière et de la matière de nouvelles manières, produire des séquences d'instantanés pouvant créer des "films à l'échelle atomique et moléculaire, " par exemple, pour éclairer les changements chimiques, effets magnétiques, et d'autres phénomènes qui se produisent en seulement des quadrillions (millions-milliardièmes) de seconde.

Ce nouveau laser viendra compléter les expériences du laser à rayons X existant du SLAC, qui a été lancé en 2009 et déclenche jusqu'à 120 impulsions de rayons X par seconde. Ce laser sera également mis à niveau dans le cadre du projet LCLS-II.

Le projet de pistolet injecteur a fait équipe avec des scientifiques de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée de Berkeley Lab avec des ingénieurs et des technologues de la division Ingénierie dans ce que le directeur de la division Ingénierie Henrik von der Lippe a décrit comme « encore une autre réussite de notre partenariat de longue date – (ce fut) un très appareil difficile à concevoir et à construire."

"L'achèvement du projet d'injecteur LCLS-II est l'aboutissement de plus de trois ans d'efforts, " a ajouté Steve Virostek, un ingénieur senior de Berkeley Lab qui a dirigé la construction du canon. L'équipe de Berkeley Lab comprenait des ingénieurs mécaniciens, physiciens, ingénieurs radiofréquences, concepteurs mécaniques, personnel d'atelier de fabrication, et techniciens de montage.

« Presque tout le monde dans l'atelier de fabrication principal du laboratoire a apporté une contribution vitale, " il ajouta, dans les domaines de l'usinage, soudage, brasage, nettoyage à ultra-vide, et des mesures de précision.

La source injecteur est l'une des contributions majeures de Berkeley Lab au projet LCLS-II, et s'appuie sur son expertise dans des conceptions similaires de canons à électrons, y compris la réalisation d'un prototype d'arme à feu. Il y a près d'une décennie, Les chercheurs du Berkeley Lab ont commencé à construire un prototype pour le système d'injection dans une zone de test de faisceau à la source lumineuse avancée du laboratoire.

Cet effort réussi, baptisé APEX (Advanced Photoinjector Experiment), a produit un injecteur fonctionnel qui a depuis été réutilisé pour des expériences utilisant son faisceau d'électrons pour étudier les processus ultrarapides à l'échelle atomique. Fernando Sannibale, Responsable Physique des Accélérateurs à l'ALS, a dirigé le développement du prototype de pistolet injecteur.

« C'est une affirmation retentissante de l'importance de la R&D en technologie de base, " a déclaré Wim Leemans, directeur de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée de Berkeley Lab. « Nous savions que les utilisateurs de sources lumineuses de nouvelle génération auraient besoin de faisceaux de photons aux caractéristiques exquises, ce qui a conduit à des exigences de faisceau d'électrons très exigeantes. Comme LCLS-II était en cours de définition, nous avions une excellente équipe qui travaillait déjà sur une source qui pourrait répondre à ces exigences."

Les leçons apprises avec APEX ont inspiré plusieurs changements de conception qui sont incorporés dans l'injecteur LCLS-II, comme un système de refroidissement amélioré pour éviter la surchauffe et les déformations du métal, ainsi que des procédés de nettoyage innovants.

"Nous sommes impatients de poursuivre notre collaboration avec Berkeley Lab lors de la mise en service du pistolet, " a déclaré John Galayda du SLAC, Directeur du projet LCLS-II. « Même si je suis sûr que nous apprendrons beaucoup lors de sa première opération au SLAC, L'expérience d'exploitation de Berkeley Lab avec APEX a permis au LCLS-II d'atteindre ses objectifs de performance et de fiabilité."

Mike Dunne, Directeur LCLS au SLAC, ajoutée, « La performance du pistolet injecteur est un élément essentiel qui pilote le fonctionnement global de notre installation laser à rayons X, nous avons donc très hâte de voir ce système en opération au SLAC. Le passage de 120 impulsions par seconde à 1 million par seconde sera véritablement transformationnel pour notre programme scientifique."

Comment ça fonctionne

Comme une batterie, l'injecteur a des composants appelés anode et cathode. Ces composants forment une chambre centrale en cuivre scellée sous vide connue sous le nom de cavité accélératrice radiofréquence qui envoie les paquets d'électrons d'une manière soigneusement contrôlée.

La cavité est réglée avec précision pour fonctionner à des fréquences très élevées et est entourée d'un ensemble de canaux qui lui permettent d'être refroidie à l'eau, éviter la surchauffe des courants radiofréquences interagissant avec le cuivre dans la cavité centrale de l'injecteur.

Une structure de cône de cuivre à l'intérieur de sa cavité centrale est surmontée d'une limace de molybdène spécialement revêtue et polie connue sous le nom de photocathode. La lumière d'un laser infrarouge est convertie en un laser à fréquence ultraviolette (UV), et cette lumière UV est dirigée par des miroirs sur une petite tache sur la cathode qui est recouverte de tellurure de césium (Cs2Te), exciter les électrons.

Ces électrons sont formés en paquets et accélérés par la cavité, Qui va, à son tour, se connecter à l'accélérateur supraconducteur. Une fois ce faisceau d'électrons accéléré à presque la vitesse de la lumière, il sera agité au sein d'une série de puissantes structures magnétiques appelées segments onduleurs, stimuler les électrons pour émettre des rayons X qui sont livrés aux expériences.

Ingénierie de précision et nettoyage impeccable

Outre la mécanique de précision indispensable à l'injecteur, Les chercheurs de Berkeley Lab ont également développé des procédés pour éliminer les contaminants des composants grâce à un processus de polissage minutieux et en les faisant exploser avec des pastilles de glace sèche.

Le nettoyage final et l'assemblage des composants les plus critiques de l'injecteur ont été effectués dans des salles blanches à air filtré par des employés portant des vêtements de protection complets pour réduire davantage les contaminants - la salle blanche la plus pure utilisée dans l'assemblage final est en fait logée dans un plus grand chambre au Berkeley Lab.

"L'accélérateur linéaire supraconducteur est extrêmement sensible aux particules, " comme la poussière et d'autres types de particules minuscules, dit Virostek. « Ses cellules accélératrices peuvent devenir inutilisables, nous avons donc dû passer par plusieurs itérations de planification pour nettoyer et assembler notre système avec le moins de particules possible. »

Les processus de nettoyage à base de glace carbonique fonctionnent comme le sablage, créant de minuscules explosions qui nettoient la surface des composants en éjectant des contaminants. Dans une forme de ce processus de nettoyage, Les techniciens de Berkeley Lab ont fait appel à une buse spécialisée pour projeter un jet très fin de glace sèche de haute pureté.

Après assemblement, l'injecteur était scellé sous vide et rempli d'azote gazeux pour le stabiliser pour l'expédition. Les cathodes de l'injecteur se dégradent avec le temps, et l'injecteur est équipé d'une "valise" de cathodes, également sous vide, qui permet d'échanger les cathodes sans avoir besoin d'ouvrir l'appareil.

"Chaque fois que vous l'ouvrez, vous risquez une contamination, " Expliqua Virostek. Une fois toutes les cathodes d'une valise épuisées, la valise doit être remplacée par un nouveau jeu de cathodes.

Le fonctionnement global et le réglage du pistolet injecteur seront contrôlés à distance, et il existe une variété d'équipements de diagnostic intégrés à l'injecteur pour aider à assurer un bon fonctionnement.

Avant même l'installation du nouvel injecteur, Berkeley Lab a proposé d'entreprendre une étude de conception pour un nouvel injecteur qui pourrait générer des paquets d'électrons avec plus du double de l'énergie de sortie. Cela permettrait d'obtenir des images à rayons X à plus haute résolution pour certains types d'expériences.

Contributions du laboratoire de Berkeley à la LCLS-II

John Corlett, Chef d'équipe senior de Berkeley Lab, travaillé en étroite collaboration avec les chefs de projet LCLS-II au SLAC et avec les responsables du Berkeley Lab pour mener à bien le projet d'injecteur.

"En plus de la source de l'injecteur, Berkeley Lab est également responsable des segments d'onduleur pour les deux lignes de faisceau laser à électrons libres à rayons X LCLS-II, pour la modélisation physique des accélérateurs qui optimisera leurs performances, et pour le leadership technique dans les systèmes de commande par radiofréquence de bas niveau qui stabilisent les champs des accélérateurs linéaires supraconducteurs, " a noté Corlett.

Jacques Symons, directeur associé du Berkeley Lab pour les sciences physiques, mentionné, « Le projet LCLS-II a fourni un formidable exemple de la façon dont plusieurs laboratoires peuvent réunir leurs forces complémentaires au profit de la communauté scientifique au sens large. Les capacités du LCLS-II conduiront à une compréhension transformationnelle des réactions chimiques, et je suis fier de notre capacité à contribuer à cet important projet national. »

LCLS-II est en cours de construction au SLAC avec des contributions techniques majeures du Laboratoire national d'Argonne, Laboratoire Fermi, Laboratoire Jefferson, Laboratoire de Berkeley, et l'Université Cornell. La construction du LCLS-II est soutenue par le Bureau des sciences du DOE.