לייזר דופק בקרני רנטגן attosecond class TW
צילום רנטגן אטושנילייזר דופקעם הספק גבוה ומשך דופק קצר הם המפתח להשגת ספקטרוסקופיה לא ליניארית מהירה במיוחד והדמיית עקיפה בקרני רנטגן. צוות המחקר בארצות הברית השתמש במפל דו-שלבילייזר אלקטרוני ללא קרני רנטגןכדי להוציא פולסים בדיד אטושניה. בהשוואה לדיווחים קיימים, הספק השיא הממוצע של הפולסים גדל בסדר גודל, הספק השיא המרבי הוא 1.1 TW והאנרגיה החציונית היא יותר מ-100 μJ. המחקר מספק גם ראיות חזקות להתנהגות קרינת-על דמוית סוליטון בשדה רנטגן.לייזרים בעלי אנרגיה גבוהההניעו תחומי מחקר חדשים רבים, כולל פיזיקה של שדה גבוה, ספקטרוסקופיה אטו-שנייה ומאיצי חלקיקי לייזר. בין כל סוגי הלייזרים, נעשה שימוש נרחב בקרני רנטגן באבחון רפואי, גילוי פגמים תעשייתיים, בדיקת בטיחות ומחקר מדעי. לייזר האלקטרון החופשי של רנטגן (XFEL) יכול להגדיל את שיא הספק קרני הרנטגן במספר סדרי גודל בהשוואה לטכנולוגיות אחרות ליצירת קרני רנטגן, ובכך להרחיב את היישום של קרני רנטגן לתחום הספקטרוסקופיה הלא-לינארית והיחידה. הדמיית עקיפה של חלקיקים כאשר נדרש הספק גבוה. ה-attosecond XFEL המצליח לאחרונה הוא הישג גדול במדע ובטכנולוגיה של attosecond, ומגדיל את שיא ההספק הזמין ביותר משישה סדרי גודל בהשוואה למקורות קרני רנטגן משטחים.
לייזרים אלקטרונים בחינםיכול להשיג אנרגיות דופק בסדרי גודל רבים הגבוהים מרמת הפליטה הספונטנית באמצעות אי יציבות קולקטיבית, הנגרמת על ידי אינטראקציה מתמשכת של שדה הקרינה בקרן האלקטרונים היחסית ובמתנד המגנטי. בטווח הרנטגן הקשה (בערך 0.01 ננומטר עד 0.1 ננומטר אורך גל), FEL מושגת על ידי דחיסה של צרור וטכניקות חרוט לאחר רוויה. בטווח רנטגן רך (כ-0.1 ננומטר עד 10 ננומטר אורך גל), FEL מיושם על ידי טכנולוגיית מפל טרי פרוסה. לאחרונה, דווח כי פולסים אטושניים עם הספק שיא של 100 GW נוצרו בשיטת הפליטה הספונטנית המוגברת העצמית (ESASE).
צוות המחקר השתמש במערכת הגברה דו-שלבית המבוססת על XFEL כדי להגביר את פלט הדופק הרך של קרני רנטגן attosecond מה-linac coherentמקור אורלרמת TW, שיפור בסדר גודל ביחס לתוצאות המדווחות. מערך הניסוי מוצג באיור 1. בהתבסס על שיטת ESASE, פולט הפוטוקתודה מאופנן לקבלת אלומת אלקטרונים עם ספייק זרם גבוה, ומשמש ליצירת פולסים של קרני רנטגן אטושניות. הפולס הראשוני ממוקם בקצה הקדמי של השפיץ של קרן האלקטרונים, כפי שמוצג בפינה השמאלית העליונה של איור 1. כאשר ה-XFEL מגיע לרוויה, קרן האלקטרונים מתעכבת ביחס לקרן הרנטגן על ידי מדחס מגנטי, ואז הפולס מקיים אינטראקציה עם אלומת האלקטרונים (פרוסה טריה) שאינה משתנה על ידי אפנון ESASE או לייזר FEL. לבסוף, נעשה שימוש בגל מגנטי שני כדי להגביר עוד יותר את קרני הרנטגן באמצעות האינטראקציה של פולסים אטושניים עם הפרוסה הטרייה.
תְאֵנָה. 1 דיאגרמת התקן ניסיוני; האיור מציג את מרחב הפאזה האורך (דיאגרמת זמן-אנרגיה של האלקטרון, ירוק), פרופיל הזרם (כחול) והקרינה המופקת בהגברה מסדר ראשון (סגול). XTCAV, חלל רוחבי X-band; cVMI, מערכת הדמיה מהירה קואקסיאלית; FZP, ספקטרומטר לוחות פס פרנל
כל הפולסים של האטו-שניה בנויים מרעש, כך שלכל פולס יש מאפיינים ספקטרליים ותחום זמן שונים, אותם חקרו החוקרים ביתר פירוט. במונחים של ספקטרום, הם השתמשו בספקטרומטר לוחות פס של Fresnel כדי למדוד את הספקטרום של פולסים בודדים באורכי גלים מקבילים שונים, וגילו שספקטרום אלה שמרו על צורות גל חלקות גם לאחר הגברה משנית, מה שמעיד על כך שהפולסים נשארו לא-מודאליים. בתחום הזמן מודדים את השוליים הזוויתיים ומאופיינים את צורת הגל של תחום הזמן של הדופק. כפי שמוצג באיור 1, דופק קרני הרנטגן חופף לפולס הלייזר האינפרא אדום המקוטב בצורה מעגלית. הפוטואלקטרונים המיוננים על ידי דופק רנטגן ייצרו פסים בכיוון המנוגד לפוטנציאל הווקטור של הלייזר האינפרא אדום. מכיוון שהשדה החשמלי של הלייזר מסתובב עם הזמן, התפלגות המומנטום של הפוטואלקטרון נקבעת לפי זמן פליטת האלקטרון, ונקבע הקשר בין מצב הזוויתי של זמן הפליטה להתפלגות התנע של הפוטואלקטרון. התפלגות תנע הפוטואלקטרון נמדדת באמצעות ספקטרומטר הדמיית מיפוי מהיר קואקסיאלי. בהתבסס על ההתפלגות והתוצאות הספקטרליות, ניתן לשחזר את צורת הגל של תחום הזמן של פולסים אטושניות. איור 2(א) מציג את התפלגות משך הדופק, עם חציון של 440 as. לבסוף, גלאי ניטור הגז שימש למדידת אנרגיית הפולס, וחושב מגרש הפיזור בין שיא הספק הפולס ומשך הפולס כפי שמוצג באיור 2(ב). שלוש התצורות מתאימות לתנאי מיקוד קרן אלקטרונים שונים, תנאי חרוט גלים ותנאי עיכוב מדחס מגנטי. שלוש התצורות הניבו אנרגיות דופק ממוצעות של 150, 200 ו-260 µJ, בהתאמה, עם הספק שיא מרבי של 1.1 TW.
איור 2. (א) היסטוגרמת התפלגות של משך הדופק של חצי גובה רוחב מלא (FWHM); (ב) עלילת פיזור התואמת לשיא הספק ומשך הדופק
בנוסף, המחקר צפה לראשונה גם בתופעה של פליטת-על דמוית סוליטון ברצועת קרני הרנטגן, המופיעה כקיצור דופק מתמשך במהלך ההגברה. היא נגרמת על ידי אינטראקציה חזקה בין אלקטרונים לקרינה, כאשר אנרגיה מועברת במהירות מהאלקטרון לראש פולס הרנטגן ובחזרה לאלקטרון מהזנב של הדופק. באמצעות מחקר מעמיק של תופעה זו, צפוי כי ניתן לממש עוד יותר פולסים של קרני רנטגן בעלי משך קצר יותר והספק שיא גבוה יותר על ידי הארכת תהליך הגברה של קרינת-על וניצול קיצור הדופק במצב דמוי סוליטון.
זמן פרסום: 27 במאי 2024