לייזר פולס רנטגן אטו-שניות מסוג TW

לייזר פולס רנטגן אטו-שניות מסוג TW
צילום רנטגן אטו-שנילייזר דופקעם הספק גבוה ומשך פולס קצר הם המפתח להשגת ספקטרוסקופיה לא לינארית אולטרה-מהירה והדמיית קרני רנטגן. צוות המחקר בארצות הברית השתמש במפל של שני שלביםלייזרים אלקטרונים חופשיים בקרני רנטגןכדי להפיק פולסים אטו-שניים בדידים. בהשוואה לדיווחים קיימים, עוצמת השיא הממוצעת של הפולסים גדלה בסדר גודל, עוצמת השיא המקסימלית היא 1.1 TW, והאנרגיה החציונית היא יותר מ-100 מיקרו-ג'אול. המחקר מספק גם ראיות חזקות להתנהגות קרינת-על דמוית סוליטונים בשדה קרני רנטגן.לייזרים בעלי אנרגיה גבוהההניעו תחומי מחקר חדשים רבים, כולל פיזיקת שדה גבוה, ספקטרוסקופיית אטו-שניות ומאיצי חלקיקים בלייזר. מבין כל סוגי הלייזרים, קרני רנטגן נמצאות בשימוש נרחב באבחון רפואי, גילוי פגמים תעשייתיים, בדיקות בטיחות ומחקר מדעי. לייזר אלקטרונים חופשיים בקרני רנטגן (XFEL) יכול להגדיל את עוצמת שיא קרני הרנטגן בכמה סדרי גודל בהשוואה לטכנולוגיות אחרות לייצור קרני רנטגן, ובכך להרחיב את היישום של קרני רנטגן לתחום הספקטרוסקופיה הלא לינארית והדמיה באמצעות דיפרקציה של חלקיק בודד, שבהם נדרשת הספק גבוה. טכנולוגיית ה-XFEL האטו-שניות המוצלחת האחרונה היא הישג משמעותי במדע ובטכנולוגיה של אטו-שניות, והיא מגדילה את עוצמת השיא הזמינה ביותר משישה סדרי גודל בהשוואה למקורות רנטגן שולחניים.

לייזרים אלקטרונים חופשייםיכול להשיג אנרגיות פולסים גבוהות בהרבה בסדרי גודל מרמת הפליטה הספונטנית באמצעות חוסר יציבות קולקטיבי, הנגרמת על ידי האינטראקציה המתמשכת של שדה הקרינה בקרן האלקטרונים היחסותית והמתנד המגנטי. בתחום קרני ה-X הקשה (כ-0.01 ננומטר עד 0.1 ננומטר), FEL מושג על ידי דחיסת צרורות וטכניקות חרוט לאחר רוויה. בתחום קרני ה-X הרכות (כ-0.1 ננומטר עד 10 ננומטר), FEL מיושם על ידי טכנולוגיית Cascade fresh-slice. לאחרונה, דווח כי פולסים אטו-שניים בעלי הספק שיא של 100 ג'יגה-וואט נוצרים באמצעות שיטת פליטה ספונטנית מוגברת עצמית (ESASE).

צוות המחקר השתמש במערכת הגברה דו-שלבית המבוססת על XFEL כדי להגביר את פלט הפולס האטוסקונדי של קרני רנטגן רכות מהמעגל הקוהרנטי הלינארי.מקור אורלרמת TW, שיפור בסדר גודל לעומת התוצאות שדווחו. מערך הניסוי מוצג באיור 1. בהתבסס על שיטת ESASE, פולט הפוטוקתודה מווסת כדי להשיג קרן אלקטרונים עם שיא זרם גבוה, ומשמש ליצירת פולסי קרני רנטגן אטו-שניות. הפולס הראשוני ממוקם בקצה הקדמי של שיא קרן האלקטרונים, כפי שמוצג בפינה השמאלית העליונה של איור 1. כאשר ה-XFEL מגיע לרוויה, קרן האלקטרונים מתעכבת יחסית לקרני הרנטגן על ידי מדחס מגנטי, ולאחר מכן הפולס מקיים אינטראקציה עם קרן האלקטרונים (פרוסה חדשה) שאינה משתנה על ידי אפנון ESASE או לייזר FEL. לבסוף, נעשה שימוש בגל-גל מגנטי שני כדי להגביר עוד יותר את קרני הרנטגן באמצעות אינטראקציה של פולסי אטו-שניות עם הפרוסה החדשה.

איור 1 דיאגרמת התקן ניסיוני; האיור מציג את מרחב הפאזה האורכי (דיאגרמת זמן-אנרגיה של האלקטרון, ירוק), את פרופיל הזרם (כחול) ואת הקרינה המופקת מהגברה מסדר ראשון (סגול). XTCAV, חלל רוחבי בפס X; cVMI, מערכת דימות מיפוי מהיר קואקסיאלית; FZP, ספקטרומטר לוחות בפס פרנל

כל פולסי האטוסקונדה בנויים מרעש, כך שלכל פולס יש תכונות ספקטרליות שונות ותכונות שונות בתחום הזמן, אותן חקרו החוקרים ביתר פירוט. מבחינת ספקטרום, הם השתמשו בספקטרומטר לוחות פרנל כדי למדוד את הספקטרום של פולסים בודדים באורכי גל שווים שונים, ומצאו שספקטרומים אלה שמרו על צורות גל חלקות גם לאחר הגברה משנית, דבר המצביע על כך שהפולסים נותרו חד-מודאליים. בתחום הזמן, נמדד השוליים הזוויתיים וצורת הגל של הפולס בתחום הזמן מאופיינת. כפי שמוצג באיור 1, פולס קרני הרנטגן חופף לפולס לייזר אינפרא אדום מקוטב מעגלי. הפוטואלקטרונים המיוננים על ידי פולס קרני הרנטגן ייצרו פסים בכיוון ההפוך לפוטנציאל הווקטורי של לייזר האינפרא אדום. מכיוון שהשדה החשמלי של הלייזר מסתובב עם הזמן, התפלגות התנע של הפוטואלקטרון נקבעת על ידי זמן פליטת האלקטרונים, והקשר בין מצב הזווית של זמן הפליטה להתפלגות התנע של הפוטואלקטרון נקבע. התפלגות התנע של הפוטואלקטרונים נמדדת באמצעות ספקטרומטר דימות מיפוי מהיר קואקסיאלי. בהתבסס על ההתפלגות והתוצאות הספקטרליות, ניתן לשחזר את צורת הגל בתחום הזמן של פולסים אטו-שניות. איור 2 (א) מציג את התפלגות משך הפולס, עם חציון של 440 Ω. לבסוף, גלאי ניטור הגז שימש למדידת אנרגיית הפולס, וחושב גרף הפיזור בין עוצמת הפולס השיא למשך הפולס כפי שמוצג באיור 2 (ב). שלוש התצורות מתאימות לתנאי מיקוד שונים של אלומת אלקטרונים, תנאי חרוט גלי ותנאי השהייה שונים של מדחס מגנטי. שלוש התצורות הניבו אנרגיות פולס ממוצעות של 150, 200 ו-260 מיקרו-ג'אול, בהתאמה, עם עוצמת שיא מקסימלית של 1.1 TW.

איור 2. (א) היסטוגרמת התפלגות של משך פולס בחצי גובה ברוחב מלא (FWHM); (ב) גרף פיזור התואם להספק השיא ומשך הפולס

בנוסף, המחקר צפה לראשונה גם בתופעה של פליטת-על דמוית סוליטון בפס קרני ה-X, המופיעה כהתקצרות רציפה של פולס במהלך הגברה. תופעה זו נגרמת על ידי אינטראקציה חזקה בין אלקטרונים לקרינה, כאשר אנרגיה מועברת במהירות מהאלקטרון לראש פולס קרני ה-X וחזרה לאלקטרון מזנב הפולס. באמצעות מחקר מעמיק של תופעה זו, צפוי שניתן יהיה לממש עוד יותר פולסי קרני X בעלי משך זמן קצר יותר ועוצמת שיא גבוהה יותר על ידי הארכת תהליך הגברת קרינת-העל וניצול קיצור הפולס במצב דמוי סוליטון.