לייזר דופק רנטגן של TW

לייזר דופק רנטגן של TW
רנטגן אטוסקונדלייזר דופקעם כוח גבוה ומשך דופק קצר הם המפתח להשגת הספקטרוסקופיה הלא לינארית Ultrafast והדמיית דיפרקציה של רנטגן. צוות המחקר בארצות הברית השתמש במפל של שני שלביםלייזרי אלקטרונים ללא רנטגןלהוציא פולסים נפרדים של אטוסקונד. בהשוואה לדיווחים הקיימים, כוח השיא הממוצע של הפולסים מוגבר בסדר גודל, כוח השיא המרבי הוא 1.1 TW, והאנרגיה החציונית היא יותר מ 100 מיקרוגרם. המחקר מספק גם הוכחות חזקות להתנהגות סוליטון דמוית סוליטון בתחום הרנטגן.לייזרים בעלי אנרגיה גבוהההניעו תחומי מחקר חדשים רבים, כולל פיזיקה בשדה גבוה, ספקטרוסקופיה אטוס-שניות ומאיץ חלקיקי לייזר. בין כל מיני לייזרים, צילומי רנטגן נמצאים בשימוש נרחב באבחון רפואי, איתור פגמים תעשייתיים, בדיקת בטיחות ומחקר מדעי. לייזר האלקטרון החופשי של הרנטגן (XFEL) יכול להגדיל את כוח הרנטגן השיא בכמה סדרי גודל בהשוואה לטכנולוגיות ייצור רנטגן אחרות, ובכך להרחיב את יישום צילומי הרנטגן לתחום הספקטרוסקופיה הלא לינארית והדמיית דיפרקציה של חלקיקים יחידים היכן נדרש כוח גבוה. ה- XFEL המוצלח האחרון של אטוסקונד הוא הישג משמעותי במדע וטכנולוגיה של אטוסקונד, מה שמגדיל את כוח השיא הזמין ביותר משש סדרי גודל בהשוואה למקורות רנטגן בספסל.

לייזרי אלקטרונים בחינםיכול להשיג אנרגיות דופק סדרי גודל רבים הגבוהים מרמת הפליטה הספונטנית באמצעות חוסר יציבות קולקטיבית, הנגרמת כתוצאה מהאינטראקציה הרציפה של שדה הקרינה בקרן האלקטרונים הרלטיבית והמתנד המגנטי. בטווח הרנטגן הקשיח (בערך 0.01 ננומטר עד 0.1 ננומטר אורך גל), FEL מושג על ידי דחיסת צרור וטכניקות שיטור לאחר הרוויה. בטווח הרנטגן הרך (כ- 0.1 ננומטר עד 10 ננומטר אורך גל), מיושם FEL על ידי טכנולוגיית פרוסה טרייה. לאחרונה דווח כי פולסים אטוס-שניים עם כוח שיא של 100 ג'יגה-וואט נוצרו בשיטת פליטה ספונטנית (ESASE) המשופרת המשופרת.

צוות המחקר השתמש במערכת הגברה דו-שלבית המבוססת על XFEL כדי להגביר את תפוקת הדופק האטוסקונטית הרנטומית הרנטומית מה- LINAC COHERENTמקור אורלרמת ה- TW, סדר שיפור בעוצמה לעומת התוצאות המדווחות. הגדרת הניסוי מוצגת באיור 1. בהתבסס על שיטת ESASE, פולט הפוטוקאטודה מווסת לקבלת קרן אלקטרונים עם דוקרן זרם גבוה, ומשמש לייצור פולסי רנטגן אטוס-שניים. הדופק הראשוני ממוקם בקצה הקדמי של הדוקרן של קרן האלקטרונים, כפי שמוצג בפינה השמאלית העליונה של איור 1. כאשר ה- XFEL מגיע לרוויה, קרן האלקטרונים מתעכבת ביחס לרנטגן על ידי מדחס מגנטי, ואז הדופק מקיים אינטראקציה עם קרן האלקטרון (פרוסה טרייה) שלא משתנה על ידי מודל ESASES. לבסוף, נעשה שימוש במגזר מגנטי שנייה כדי להגביר עוד יותר את קרני הרנטגן באמצעות אינטראקציה של פולסים אטוס-שניים עם הפרוסה הטרייה.

תְאֵנָה. 1 תרשים מכשירים ניסיוניים; האיור מציג את חלל הפאזה האורך (תרשים אנרגיה זמן של האלקטרון, ירוק), הפרופיל הנוכחי (כחול) והקרינה המיוצרת על ידי הגברה מהסדר הראשון (סגול). XTCAV, חלל רוחבי X-band; CVMI, מערכת הדמיה מהירה קואקסיאלית; FZP, ספקטרומטר צלחת פס פרנל

כל הפולסים של אטוסקונד בנויים מרעש, כך שלכל דופק יש תכונות ספקטרליות ותחום זמן, שהחוקרים חקרו ביתר פירוט. מבחינת הספקטרום, הם השתמשו בספקטרומטר צלחות פס פרנל כדי למדוד את הספקטרום של פולסים בודדים באורכי סולטור מקבילים שונים, ומצאו כי הספקטרום הללו שמרו על צורות גל חלקות גם לאחר הגברה משנית, מה שמצביע על כך שהקטניות נותרו לא -מודאליות. בתחום הזמן נמדד השוליים הזוויתיים ונמצאת צורת הגל של דומיין הזמן מאופיינת. כפי שמוצג באיור 1, דופק הרנטגן חופף לדופק לייזר אינפרא אדום מקוטב מעגלי. הפוטואלקטרונים המיוננים על ידי דופק הרנטגן יפיקו פסים בכיוון ההפוך לפוטנציאל הווקטורי של לייזר האינפרא אדום. מכיוון שהשדה החשמלי של הלייזר מסתובב עם הזמן, חלוקת המומנטום של הפוטואלקטרון נקבעת על ידי תקופת פליטת האלקטרונים, והקשר בין המצב הזוויתי של זמן הפליטה לבין התפלגות המומנטום של הפוטואלקטרון. התפלגות המומנטום הפוטו -אלקטרוני נמדדת באמצעות ספקטרומטר הדמיה מהיר קואקסיאלי. בהתבסס על התוצאות והתוצאות הספקטרליות, ניתן לשחזר את צורת הגל של תחום הזמן של פולסים אטוס-שניים. איור 2 (א) מראה את התפלגות משך הדופק, עם חציון של 440 AS. לבסוף, גלאי ניטור הגז שימש למדידת אנרגיית הדופק, וחושב עלילת הפיזור בין כוח הדופק לשיא למשך הדופק כמוצג באיור 2 (ב). שלוש התצורות תואמות את תנאי המיקוד של קרני האלקטרונים, תנאי הגעה ותנאי עיכוב מדחס מגנטי. שלוש התצורות הניבו אנרגיות דופק ממוצעות של 150, 200 ו- 260 מיקרוגרם, בהתאמה, עם הספק שיא מקסימלי של 1.1 TW.

איור 2. (א) היסטוגרמת התפלגות של משך הדופק המלא של חצי גובה (FWHM); (ב) עלילת פיזור המתאימה לכוח שיא ומשך הדופק

בנוסף, המחקר נצפה לראשונה גם את תופעת ההפעלה הדומה לסוליטון בלהקת הרנטגן, המופיעה כקיצור דופק רציף במהלך הגברה. זה נגרם כתוצאה מאינטראקציה חזקה בין אלקטרונים לקרינה, כאשר האנרגיה מועברת במהירות מהאלקטרון לראש דופק הרנטגן ובחזרה לאלקטרון מזנב הדופק. באמצעות מחקר מעמיק של תופעה זו, צפוי כי ניתן לממש עוד יותר פולסים רנטגן עם משך זמן קצר יותר וכוח שיא גבוה יותר על ידי הרחבת תהליך הגברת ההגברה של הניתוח וניצול קיצור הדופק במצב דמוי סוליטון.