Παλμικό λέιζερ ακτίνων Χ κατηγορίας TW attosecond

Παλμικό λέιζερ ακτίνων Χ κατηγορίας TW attosecond
Ακτινογραφία αττοδευτερολέπτωνπαλμικό λέιζερμε υψηλή ισχύ και σύντομη διάρκεια παλμού είναι το κλειδί για την επίτευξη εξαιρετικά γρήγορης μη γραμμικής φασματοσκοπίας και απεικόνισης περίθλασης ακτίνων Χ. Η ερευνητική ομάδα στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποίησε μια αλληλουχία δύο σταδίωνΛέιζερ χωρίς ακτίνες Χ ηλεκτρονίωνγια την παραγωγή διακριτών παλμών αττοδευτερολέπτου. Σε σύγκριση με τις υπάρχουσες αναφορές, η μέση μέγιστη ισχύς των παλμών αυξάνεται κατά μία τάξη μεγέθους, η μέγιστη μέγιστη ισχύς είναι 1,1 TW και η μέση ενέργεια είναι μεγαλύτερη από 100 μJ. Η μελέτη παρέχει επίσης ισχυρές ενδείξεις για συμπεριφορά υπερακτινοβολίας τύπου σολιτονίου στο πεδίο ακτίνων Χ.Λέιζερ υψηλής ενέργειαςέχουν οδηγήσει σε πολλούς νέους τομείς έρευνας, συμπεριλαμβανομένης της φυσικής υψηλού πεδίου, της φασματοσκοπίας αττοδευτερολέπτων και των επιταχυντών σωματιδίων με λέιζερ. Μεταξύ όλων των ειδών λέιζερ, οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική διάγνωση, την ανίχνευση βιομηχανικών ελαττωμάτων, την επιθεώρηση ασφάλειας και την επιστημονική έρευνα. Το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XFEL) μπορεί να αυξήσει τη μέγιστη ισχύ των ακτίνων Χ κατά αρκετές τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες παραγωγής ακτίνων Χ, επεκτείνοντας έτσι την εφαρμογή των ακτίνων Χ στον τομέα της μη γραμμικής φασματοσκοπίας και της απεικόνισης περίθλασης μονοσωματιδίων όπου απαιτείται υψηλή ισχύς. Το πρόσφατο επιτυχημένο XFEL αττοδευτερολέπτων αποτελεί ένα σημαντικό επίτευγμα στην επιστήμη και τεχνολογία αττοδευτερολέπτων, αυξάνοντας τη διαθέσιμη μέγιστη ισχύ κατά περισσότερο από έξι τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με τις πηγές ακτίνων Χ σε εργαστηριακό περιβάλλον.

Λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίωνμπορούν να λάβουν ενέργειες παλμών πολλές τάξεις μεγέθους υψηλότερες από το επίπεδο αυθόρμητης εκπομπής χρησιμοποιώντας συλλογική αστάθεια, η οποία προκαλείται από τη συνεχή αλληλεπίδραση του πεδίου ακτινοβολίας στη σχετικιστική δέσμη ηλεκτρονίων και τον μαγνητικό ταλαντωτή. Στην περιοχή σκληρών ακτίνων Χ (μήκος κύματος περίπου 0,01 nm έως 0,1 nm), η FEL επιτυγχάνεται με τεχνικές συμπίεσης δέσμης και κωνικής διαμόρφωσης μετά τον κορεσμό. Στην περιοχή μαλακών ακτίνων Χ (μήκος κύματος περίπου 0,1 nm έως 10 nm), η FEL εφαρμόζεται με τεχνολογία cascade fresh-slice. Πρόσφατα, έχουν αναφερθεί παλμοί αττοδευτερολέπτου με μέγιστη ισχύ 100 GW που παράγονται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ενισχυμένης αυτοενισχυμένης αυθόρμητης εκπομπής (ESASE).

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα σύστημα ενίσχυσης δύο σταδίων βασισμένο στο XFEL για να ενισχύσει την έξοδο μαλακού αττοδευτερολέπτου παλμού ακτίνων Χ από το γραμμικό συνεκτικό σύστημα.πηγή φωτόςστο επίπεδο TW, μια τάξη μεγέθους βελτίωση σε σχέση με τα αναφερόμενα αποτελέσματα. Η πειραματική διάταξη φαίνεται στο Σχήμα 1. Με βάση τη μέθοδο ESASE, ο εκπομπός φωτοκαθόδου διαμορφώνεται για να ληφθεί μια δέσμη ηλεκτρονίων με υψηλή ακίδα ρεύματος και χρησιμοποιείται για τη δημιουργία παλμών ακτίνων Χ αττοδευτερολέπτων. Ο αρχικός παλμός βρίσκεται στην μπροστινή άκρη της ακίδας της δέσμης ηλεκτρονίων, όπως φαίνεται στην επάνω αριστερή γωνία του Σχήματος 1. Όταν το XFEL φτάσει σε κορεσμό, η δέσμη ηλεκτρονίων καθυστερεί σε σχέση με τις ακτίνες Χ από έναν μαγνητικό συμπιεστή και στη συνέχεια ο παλμός αλληλεπιδρά με τη δέσμη ηλεκτρονίων (φρέσκια φέτα) που δεν τροποποιείται από τη διαμόρφωση ESASE ή το λέιζερ FEL. Τέλος, ένας δεύτερος μαγνητικός κυματιστής χρησιμοποιείται για την περαιτέρω ενίσχυση των ακτίνων Χ μέσω της αλληλεπίδρασης παλμών αττοδευτερολέπτων με τη φρέσκια φέτα.

ΣΧ. 1 Διάγραμμα πειραματικής συσκευής. Η εικόνα δείχνει τον διαμήκη χώρο φάσεων (διάγραμμα χρόνου-ενέργειας του ηλεκτρονίου, πράσινο), το προφίλ ρεύματος (μπλε) και την ακτινοβολία που παράγεται από ενίσχυση πρώτης τάξης (μωβ). XTCAV, εγκάρσια κοιλότητα ζώνης Χ. cVMI, ομοαξονικό σύστημα απεικόνισης ταχείας χαρτογράφησης. FZP, φασματόμετρο πλάκας ζώνης Fresnel.

Όλοι οι παλμοί αττοδευτερολέπτου κατασκευάζονται από θόρυβο, επομένως κάθε παλμός έχει διαφορετικές φασματικές και χρονικές ιδιότητες, τις οποίες οι ερευνητές διερεύνησαν λεπτομερέστερα. Όσον αφορά τα φάσματα, χρησιμοποίησαν ένα φασματόμετρο πλάκας ζώνης Fresnel για να μετρήσουν τα φάσματα μεμονωμένων παλμών σε διαφορετικά ισοδύναμα μήκη κυματισμού και διαπίστωσαν ότι αυτά τα φάσματα διατηρούσαν ομαλές κυματομορφές ακόμη και μετά από δευτερογενή ενίσχυση, υποδεικνύοντας ότι οι παλμοί παρέμειναν μονοτροπικοί. Στο χρονικό πεδίο, μετράται η γωνιακή περιθωριακή γραμμή και χαρακτηρίζεται η κυματομορφή του παλμού στο χρονικό πεδίο. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, ο παλμός ακτίνων Χ επικαλύπτεται με τον κυκλικά πολωμένο υπέρυθρο παλμό λέιζερ. Τα φωτοηλεκτρόνια που ιονίζονται από τον παλμό ακτίνων Χ θα παράγουν ραβδώσεις στην αντίθετη κατεύθυνση από το διανυσματικό δυναμικό του υπέρυθρου λέιζερ. Επειδή το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ περιστρέφεται με την πάροδο του χρόνου, η κατανομή της ορμής του φωτοηλεκτρονίου καθορίζεται από τον χρόνο εκπομπής ηλεκτρονίων και καθορίζεται η σχέση μεταξύ της γωνιακής λειτουργίας του χρόνου εκπομπής και της κατανομής της ορμής του φωτοηλεκτρονίου. Η κατανομή της ορμής των φωτοηλεκτρονίων μετριέται χρησιμοποιώντας ένα ομοαξονικό φασματόμετρο απεικόνισης γρήγορης χαρτογράφησης. Με βάση την κατανομή και τα φασματικά αποτελέσματα, μπορεί να ανακατασκευαστεί η κυματομορφή χρονικού πεδίου των παλμών αττοδευτερολέπτου. Το Σχήμα 2 (α) δείχνει την κατανομή της διάρκειας του παλμού, με διάμεσο 440 as. Τέλος, ο ανιχνευτής παρακολούθησης αερίου χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της ενέργειας του παλμού και υπολογίστηκε το διάγραμμα διασποράς μεταξύ της μέγιστης ισχύος παλμού και της διάρκειας του παλμού, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2 (β). Οι τρεις διαμορφώσεις αντιστοιχούν σε διαφορετικές συνθήκες εστίασης δέσμης ηλεκτρονίων, συνθήκες κυματισμού κώνου και συνθήκες καθυστέρησης μαγνητικού συμπιεστή. Οι τρεις διαμορφώσεις απέδωσαν μέσες ενέργειες παλμού 150, 200 και 260 µJ, αντίστοιχα, με μέγιστη μέγιστη ισχύ 1,1 TW.

Σχήμα 2. (α) Ιστόγραμμα κατανομής διάρκειας παλμού μισού ύψους και πλήρους πλάτους (FWHM). (β) Διάγραμμα σκέδασης που αντιστοιχεί στην μέγιστη ισχύ και τη διάρκεια παλμού

Επιπλέον, η μελέτη παρατήρησε για πρώτη φορά το φαινόμενο της υπερεκπομπής τύπου σολιτονίου στη ζώνη ακτίνων Χ, το οποίο εμφανίζεται ως συνεχής βράχυνση του παλμού κατά την ενίσχυση. Προκαλείται από μια ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρονίων και ακτινοβολίας, με την ενέργεια να μεταφέρεται ταχέως από το ηλεκτρόνιο στην κεφαλή του παλμού ακτίνων Χ και πίσω στο ηλεκτρόνιο από την ουρά του παλμού. Μέσω εις βάθος μελέτης αυτού του φαινομένου, αναμένεται ότι παλμοί ακτίνων Χ με μικρότερη διάρκεια και υψηλότερη μέγιστη ισχύ μπορούν να υλοποιηθούν περαιτέρω επεκτείνοντας τη διαδικασία ενίσχυσης με υπερακτινοβολία και αξιοποιώντας τη βράχυνση του παλμού σε λειτουργία τύπου σολιτονίου.