APEX电子枪第二阶段测试

建造并测试一种独特的电子枪

APEX的电缆、导线、波导和电缆非常适合在先进光源的光束测试设施中使用。劳伦斯伯克利国家实验室摄影:Roy Kaltschmidt

在过去的六年中,伯克利实验室的研究人员在APEX上取得了巨大的进展。APEX是一种电子枪,以连续波模式在射频下工作,以前所未有的重复频率产生高质量的光束。

伯克利实验室的先进光子注入实验(APEX)的重点是一种特别为超导加速器前端设计的电子枪。当它完成时,APEX电子枪将能够在几万亿分之一秒甚至仅仅万亿分之一秒的脉冲中产生形成良好的电子束,速度高达每秒一百万束。

APEX项目负责人、加速器与聚变研究部(AFRD)的费尔南多·桑尼伯勒(Fernando Sannibale)说:“利用我们设计的基于加速器的x射线光源,电子束的质量就在电子离开枪时确定。”我们需要高电荷、高能量和高重复率的紧密电子束。我们需要这种枪长时间可靠地工作。”


一个视频艺术家的超慢动作印象,一个顶点式的电子枪将一列连续的电子束发射到超导直线加速器中(事实上,这种情况每秒发生一百万次)。当束接近光速时,束收缩,保持光束质量。加速后,电子束被转移到一个或多个波动器中,波动器是自由电子激光器的关键部件。它们在不断变化的磁场中来回摆动,产生结构化的x射线脉冲束。在进入实验区域之前,电子束被转移到束流转储(由Illumina Visual为劳伦斯伯克利国家实验室制作的动画)

APEX枪由AFRD的Sannibale和John Staples于2006年构思,代表了下一代光源的关键技术。APEX最初由伯克利实验室的实验室指导研发计划资助,自2009年以来,作为加速器和探测器国家研发计划的一部分,APEX得到了美国能源部科学办公室的支持。

一种新的光源

用科学的说法,光源不仅仅是一个灯泡,而是一个产生光束延伸到x射线区域的大型机器。通常光源是用户设施,对从事广泛实验的许多科学家开放。同步加速器光源(如伯克利实验室的先进光源(ALS))是化学、复杂材料、生命科学和其他前沿研究领域的主流科学研究,它基于电子在其中高能量循环的存储环。yabovip2021

最新的光源是自由电子激光器(FELs)。而不是同步加速器,大多数费尔斯使用的线性加速器来提高火车电子束相对较高的能量,然后通过波纹机送他们,长排的磁铁来回摆动的电子使其摆脱比同步光源亮度x射线可以实现——而不仅仅是光明,但也有连贯性(类似激光)。

然而,与同步加速器源不同的是,许多FELs的重复频率非常低。例如,SLAC开创性的直线加速器相干光源(LCLS)可以产生电子束,从而产生x射线脉冲,大约每秒100次。低利率不仅极大地减少了做许多实验所需的时间。未来的实验希望探索电子在分子内运动的极端时间尺度;这些实验需要非常短的x射线脉冲,每秒重复数十万次甚至一百万次。

高重复频率的x射线束要求超导电子加速器以连续波模式(CW)工作。在连续波中,连续电磁场不间断地将一系列短间隔电子束加速到自由电子激光波荡器,而不是单个脉冲或由大时间间隔分隔的脉冲组。在恒定射频(RF)下,加速场的振荡电压与列车中的束同步。

顶点项目

APEX光电阴极激光和光束诊断的负责人Daniele Filippetto调整引导激光射入枪中的镜子,平行于出现的电子束,以刺激光电阴极的电子发射。劳伦斯伯克利国家实验室摄影:Roy Kaltschmidt

对于这样的加速器,电子枪本身必须在无线电频率下以连续波模式工作,这是一个挑战。要产生一串极短、快速重复、高电荷束,且每束中的电子都紧密地排列在一起,就需要有一种电子源,能在强电场存在的情况下快速重复地将它们吐出。

“问题是高频、高功率射频腔无法在连续波中工作;“它必须是脉冲的,否则它会融化,”桑尼贝尔说因此,要在连续波中工作,我们必须从较低的频率开始。”

APEX枪的工作频率为187兆赫(每秒1.87亿个周期),即VHF,这意味着“非常高的频率”,但与加速器本身的射频相比,它的射频(以千兆赫兹(每秒数十亿个周期)为单位)较低。波长越长,电子枪的腔体就比相应的高频电子枪的腔体大得多,这意味着有更大的表面积来分配热量,使电子枪在加速电子束连续波的同时保持相对较冷。

电子束来自光阴极,这是枪内的一根杆,当被激光光子击中时,它会发射电子。激光束以与它所激发的电子束相反的方向进入电子枪的光束出口,并与之平行排列。

对于每秒能产生一百万束电子的光电阴极来说,第一个要求是高“量子效率”,这意味着它需要更少的光子来发射每个电子。例如,SLAC的LCLS阴极由铜制成;它需要大约100000个来自强激光的光子来释放单个电子。APEX正在研究阴极,这种阴极将产生高电荷束,每个电子只有100个光子。

“我们最感兴趣的材料是多碱锑化物,它可以以高速率产生高电荷电子束;这些光电阴极正在伯克利实验室由Howard Padmore的ALS小组开发,”Sannibale说。“唯一的问题是,这些化合物是高度活性的。只要有一丁点水、氧气或一氧化碳就会毒害它们,所以我们必须把这些东西赶出我们的社区。”

为了把所有的东西从枪的铜腔里吸出来,枪周围有很多槽,槽的外面安装了24个叫做“NEGs”的泵,外加一个真空离子泵。NEG是“不可蒸发吸气剂”的缩写,它是一种物质,除了需要离子泵的惰性气体和一些碳氢化合物外,几乎可以与任何物质反应并捕获它们。泵的设计目的是将腔内的真空压缩到坚硬的10-10托,就像外层空间的某些区域一样缺乏分子。

其他类型的光电阴极也将被测试,包括铯-碲化物阴极,像那些已经在德国FLASH和其他FELs使用的阴极;这些是由米兰的意大利国家核物理研究所(INFN)提供的。铯-碲化物阴极更坚固,量子效率可与多碱锑化物阴极相媲美,但需要更高能量的光子来产生电子发射,因此更强的激光。

因为APEX炮是为先进的FEL用户设施设计的,它配备了一个机械装置,可以相对快速地(在一两个小时内)卸载和重新装载光电阴极,而不损失任何炮的真空。

加速器和聚变研究部

从右到右,加速器与聚变研究部门的约翰·斯台普斯和费尔南多·桑尼巴尔构思了APEX,工程部门的罗素·威尔斯(左)领导了它的建造。劳伦斯伯克利国家实验室摄影:Roy Kaltschmidt

推进技术前沿

APEX项目分三个重叠的阶段进行,从从头构建枪开始。在第0阶段,该射孔枪由工程部门的Russell Wells设计,在伯克利实验室车间制造,并安装在先进光源的光束测试设备中。到2011年12月15日,射频场在额定功率下可靠地运行,标志着该项目的第一个基本里程碑的成功。接下来将安装阴极负载锁定机构;随后,火炮的真空性能将得到验证。

光电阴极性能测试已经在阶段0的最后阶段进行。作为第一步,与一组合作完成的布鲁克海文国家实验室,光电阴极激光将被用来测试一个阴极放大器的钻石,而不是电子的来源本身,而是一种方法产生的电子数量乘以一个阴极铜背后3毫米;这种很有前途的金刚石放大器的性能从未在射频枪中测量过,因此该测试本身将具有科学价值。在解决多碱锑化物阴极的挑战之前,这也是一个很好的检查APEX系统的方法。

虽然第0阶段即将结束,但第1阶段已经开始。重点是严格证明光电阴极的候选,有前途的多碱锑化物和更强的碲化铯。第一阶段的另一个重点是在低能量下测试光束质量,这是博士后Chris Papadopoulos的光束动力学研究的一部分。

在枪内非常短的距离内快速加速后,形成良好的电子束(用加速器的话来说,发射度很低)离开枪进入喷射器,进入加速器的第一级。由于APEX是在狭窄的空间进行测试的——只有3 × 15米,屏蔽有限——束可以被加速到最多30 MeV(3000万电子伏),而不是在自由电子激光器中工作的注入器需要70-100 MeV。在第一阶段测试中,甚至连这个能量都达不到:最初,光束将保持在束离开火炮时的能量,即四分之三兆电子伏。

然而,桑尼巴勒说:“只有在我们能证明高能时的光束质量时,我们才能宣告胜利。”这是第二阶段的主要目标,该阶段将在30兆电子伏特下测试光束质量——发射度、束长、束电荷、能量传播和亮度。“虽然我们不会以一个真正的喷射器所需的全部能量进行测试,但它将足以显示光束质量。空间电荷力将足够小,以便对光束进行可靠的表征。”

自六年前成立以来,APEX取得了重大进展。一种电子枪,在连续波模式下以射频工作,以前所未有的重复频率产生高质量的光束——这是一个正在走向最终证明的概念。

“apex风格的喷射器将为新一代光源提供前端,包括伯克利实验室自己的提议,该设施有10个FELs, 20条x射线束,每条重复频率高达每秒十万次。每个FEL都可以独立调节波长、脉冲长度、偏振和其他实验要求。“APEX是加速器的前端,但它处于研究光子科学的全新方式的前沿。”

图片:劳伦斯伯克利国家实验室,Roy Kaltschmidt拍摄

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