Les équipes du Laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie ont mis sous tension un nouveau canon à électrons, un élément clé de la mise à niveau du laboratoire de son laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS), et hier soir, il a tiré ses premiers électrons.

Situé à l'avant de la machine de nouvelle génération connue sous le nom de LCLS-II, le pistolet fait partie de ce qu'on appelle un injecteur, qui générera un flux d'électrons presque continu pour entraîner la production de puissants faisceaux de rayons X à une vitesse de 8, 000 fois plus rapide que LCLS à ce jour.

La production réussie d'électrons a été le point culminant des 15 derniers mois, au cours de laquelle les équipes ont installé et testé des pièces de l'injecteur au SLAC, en s'appuyant sur les travaux de conception et d'essai des dernières années au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE.

"C'est un jalon qui montre que le système d'injection complexe fonctionne et qui nous permet de commencer la tâche cruciale d'optimiser ses performances, " a déclaré Feng Zhou, physicien des accélérateurs du SLAC, qui est en charge de la mise en service des injecteurs LCLS-II. "L'injecteur est un système très critique car la qualité du faisceau d'électrons qu'il crée a un effet énorme sur la qualité des rayons X qui sortiront finalement du LCLS-II."

Faire des rayons X avec des électrons

Les lasers à rayons X utilisent des faisceaux d'électrons pulsés pour générer leur lumière à rayons X. Ces faisceaux acquièrent une énergie considérable dans des accélérateurs de particules linéaires massifs, puis libèrent une partie de cette énergie sous la forme d'éclairs de rayons X extrêmement brillants lorsqu'ils traversent des aimants spéciaux appelés onduleurs.

Le rôle de l'injecteur est de produire un faisceau d'électrons de haute intensité, une petite section transversale et une divergence minimale, la bonne fréquence de pouls et les autres propriétés requises pour obtenir les meilleures performances laser à rayons X possibles.

Les électrons tirés par l'injecteur proviennent d'un canon à électrons. Il se compose d'une cavité métallique creuse où des éclairs de lumière laser frappent une photocathode qui répond en libérant des électrons. La cavité est remplie d'un champ radiofréquence (RF) qui augmente l'énergie des électrons libérés et les accélère par paquets vers la sortie du canon.

Des aimants et une autre cavité RF à l'intérieur de l'injecteur serrent les électrons en plus petits, grappes plus courtes, et une section d'accélérateur, à installer dans les prochains mois, augmentera l'énergie des paquets pour leur permettre d'entrer dans le tronçon principal de l'accélérateur linéaire du laser à rayons X. S'étendant sur près d'un kilomètre de long, cet accélérateur supraconducteur augmentera la vitesse des paquets d'électrons à presque la vitesse de la lumière.

Le défi du million d'impulsions

Le composant d'injecteur le plus délicat est le canon à électrons, et pour LCLS-II les exigences techniques sont plus grandes que jamais, dit John Schmerge, directeur adjoint de la Direction des accélérateurs du SLAC.

"La première génération de LCLS produisait 120 flashs de rayons X par seconde, ce qui signifie que le laser de l'injecteur et la puissance RF ne devaient fonctionner qu'à ce rythme, " dit-il. " LCLS-II, d'autre part, aura également la capacité de tirer jusqu'à un million de fois par seconde, donc la puissance RF doit être allumée tout le temps et le laser doit fonctionner à un rythme beaucoup plus élevé."

Cela crée des défis majeurs.

D'abord, le champ RF continu produit beaucoup de chaleur à l'intérieur de la cavité. Avec une puissance équivalente à environ 80 fours à micro-ondes fonctionnant à pleine puissance en permanence, cela pourrait endommager le canon à électrons et dégrader ses performances.

Pour gérer la grande quantité de puissance, le canon LCLS-II, qui a été construit à Berkeley Lab, est équipé d'un système de refroidissement par eau. Il est également beaucoup plus grand que son prédécesseur (plusieurs pieds plutôt que pouces de diamètre), de sorte que la chaleur est répartie sur une plus grande surface.

« Le projet LCLS-II a démarré en trombe, bénéficiant de l'expérience de Berkeley Lab dans la conception et l'exploitation de cette source d'électrons unique, " a déclaré John Galayda du SLAC, qui dirigeait jusqu'à récemment le projet LCLS-II. « Cela continue d'être une excellente collaboration qui est cruciale dans la construction du laser à rayons X de prochaine génération. »

Un autre défi est le système laser, dit Sasha Gilevich, Ingénieur SLAC en charge du laser injecteur LCLS-II.

"Pour produire des électrons efficacement, nous voulons faire briller la lumière ultraviolette sur la photocathode, mais il n'existe aucun système laser commercial capable de fournir des impulsions UV avec les propriétés uniques requises par LCLS-II à raison d'un million d'impulsions par seconde, " dit-elle. " Au lieu de cela, nous envoyons la lumière d'un laser infrarouge à travers un système optique contenant des cristaux non linéaires qui la convertissent en lumière ultraviolette. Mais à cause de la chaleur générée dans les cristaux, faire cette conversion à une fréquence d'impulsions aussi élevée est très exigeant, et nous sommes toujours en train d'optimiser notre système pour obtenir les meilleures performances."

Nouvelle source d'électrons, nouveaux défis

Les capacités uniques du LCLS-II s'appuieront également sur une photocathode à haut rendement pour produire le sursaut d'électrons initial. Il se compose d'un disque plat — à peine quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur et un centimètre de diamètre — d'un semi-conducteur monté sur un support métallique. Cela permet aux électrons d'être produits environ 1, 000 fois plus efficace qu'avec la cathode de cuivre utilisée auparavant.

Mais l'avance vient avec un compromis, a déclaré Théodore Vecchione, physicien des accélérateurs du SLAC :« Alors que la cathode de cuivre a duré des années, le nouveau n'est pas aussi robuste et peut ne durer que quelques semaines."

C'est pourquoi Vecchione a été chargée de mettre en place une installation au laboratoire pour fabriquer un stock de cathodes, qui ne peuvent pas être simplement achetés dans le commerce, et pour s'assurer que la cathode LCLS-II peut être remplacée chaque fois que nécessaire.

Maintenant que l'injecteur a généré ses premiers électrons, l'équipe de mise en service passera les prochains mois à optimiser les propriétés du faisceau d'électrons et à automatiser les commandes des injecteurs. Cependant, ce ne sera pas avant l'année prochaine, lorsque l'accélérateur linéaire supraconducteur du LCLS-II a été installé, qu'ils pourront tester l'injecteur plein, y compris la section courte de l'accélérateur qui augmentera l'énergie des électrons à 100 millions d'électronvolts, et préparez-le à faire son travail de génération de certains des rayons X les plus puissants que le monde ait jamais vus.