【据asdnews网站2019年5月30日报道】美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室开发出直线加速器相干光源(LCLS)X射线电子激光枪,可为加州门洛帕克市SLAC国家加速器实验室研制的下一代直线加速器相干光源X射线激光器发射电子束。
新型电子激光枪位于LCLS前端,其近乎连续的电子流可产生高出以往脉冲速率800倍的高能X射线。研制工作历经15个月,在过去设计、测试的基础上,研发团队还在斯坦福直线加速器中心(SLAC)国家加速器实验室测试了电子激光枪的零部件。劳伦斯·伯克利国家实验室曾在2018年1月22日将新型电子激光枪移交给SLAC国家加速器实验室。在电子激光枪与X射线激光器的组装过程中,伯克利实验室采取了严格的净化程序以保证电子激光枪的性能。
X射线激光器能利用电子脉冲束生成x射线。电子脉冲束经大型线性粒子加速器后获得巨大能量,再经过振荡器时会以极端明亮的闪光形式释放出能量。而振荡器的制造与交付由劳伦斯·伯克利国家实验室的研究人员负责。劳伦斯·伯克利国家实验室表示,目前已完成“软性X射线”即低能级x射线激光振荡器的制造,预计本年度下半年完成“硬性X射线”即高能级x射线激光振荡器的制造。
生成秒速百万级脉冲克服的三个难题。SLAC国家加速器实验室表示,“以往直线加速器相干光源每秒产生120个x射线脉冲,而现在需要产生百万个x射线脉冲,这就需要一直打开射频(RF)电源,也需要激光器以更高的速率工作”,这就产生两个难题:首先是连续的射频场在震荡腔内产生大量热量。可能会损坏电子枪、降低电子枪的性能。为解决这一问题,新一代X射线电子激光枪配有直径为几英尺的水冷系统,使得热量可以分布在更大的表面积上;其次是没有能够提供紫外脉冲并符合新一代直线加速器相干光源要求的商用激光系统。SLAC国家加速器实验室的研究人员表示,“取而代之的是,我们利用含有非线性晶体的光学系统产生红外激光,然后将红外激光转换成紫外光”,“我们还在优化这一系统以获得最佳的系统性能”。与此同时,新电子源也带来新难题。新一代直线加速器相干光源利用高效的光阴极产生第一个电子崩,光阴极由固定在金属支架上的一个直径为1厘米、厚度为几十纳米的半导体平板闸阀组成,生产电子的效率比使用铜阴极高出约1000倍。但铜阴极可使用几年,而光阴极不如铜阴极坚硬,只能使用几星期。光电极不能简单地购买,只能由SLAC国家加速器实验室的研究人员在实验室中制造以便在需要的时候更换,这成为一个新的难题。
接下来几个月内,调试团队将优化电子束特性,对电子枪实施自动控制。明年新一代LCLS超导线性加速器安装完毕时,调试团队就可以全面测试电子激光枪,利用它就能发射出世界上最强的X射线。