TW კლასის ატტოწამური რენტგენის პულსური ლაზერი

TW კლასის ატტოწამური რენტგენის პულსური ლაზერი
ატტოწამის რენტგენიპულსური ლაზერიმაღალი სიმძლავრით და მოკლე პულსის ხანგრძლივობით არის გასაღები ულტრასწრაფი არაწრფივი სპექტროსკოპიისა და რენტგენის დიფრაქციული გამოსახულების მისაღწევად. შეერთებულ შტატებში კვლევის ჯგუფმა გამოიყენა ორსაფეხურიანი კასკადირენტგენის თავისუფალი ელექტრონის ლაზერებიდისკრეტული ატოწამიანი პულსების გამოსაცემად. არსებულ ანგარიშებთან შედარებით, იმპულსების საშუალო პიკური სიმძლავრე გაზრდილია სიდიდის ბრძანებით, მაქსიმალური პიკური სიმძლავრეა 1,1 ტვ, ხოლო მედიანური ენერგია 100 μJ-ზე მეტია. კვლევა ასევე იძლევა ძლიერ მტკიცებულებებს სოლიტონის მსგავსი სუპერრადიაციული ქცევის რენტგენის ველში.მაღალი ენერგიის ლაზერებიხელმძღვანელობდნენ კვლევის ბევრ ახალ სფეროს, მათ შორის მაღალი ველის ფიზიკას, ატტოწამის სპექტროსკოპიას და ლაზერული ნაწილაკების ამაჩქარებლებს. ყველა სახის ლაზერებს შორის, რენტგენი ფართოდ გამოიყენება სამედიცინო დიაგნოსტიკაში, სამრეწველო ხარვეზების გამოვლენაში, უსაფრთხოების ინსპექტირებასა და სამეცნიერო კვლევებში. რენტგენის თავისუფალი ელექტრონის ლაზერს (XFEL) შეუძლია გაზარდოს პიკური რენტგენის სიმძლავრე რენტგენის გამომუშავების სხვა ტექნოლოგიებთან შედარებით, რითაც გააფართოვებს რენტგენის სხივების გამოყენებას არაწრფივი სპექტროსკოპიისა და ერთჯერადი. ნაწილაკების დიფრაქციული გამოსახულება, სადაც საჭიროა მაღალი სიმძლავრე. ბოლოდროინდელი წარმატებული ატოწამური XFEL არის მთავარი მიღწევა ატტოწამის მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაში, რომელიც ზრდის მის ხელმისაწვდომ პიკურ სიმძლავრეს ექვსზე მეტი ბრძანებით, ვიდრე რენტგენის რენტგენის წყაროებთან შედარებით.

უფასო ელექტრონული ლაზერებიშეუძლია მიიღოს იმპულსური ენერგიები სპონტანური ემისიის დონეზე კოლექტიური არასტაბილურობის გამოყენებით, რაც გამოწვეულია რადიაციული ველის უწყვეტი ურთიერთქმედებით რელატივისტურ ელექტრონულ სხივსა და მაგნიტურ ოსცილატორში. მძიმე რენტგენის დიაპაზონში (დაახლოებით 0,01 ნმ-დან 0,1 ნმ ტალღის სიგრძემდე), FEL მიიღწევა შეკვრის შეკუმშვისა და გაჯერების შემდგომ კონინგის ტექნიკით. რბილი რენტგენის დიაპაზონში (დაახლოებით 0,1 ნმ-დან 10 ნმ ტალღის სიგრძემდე), FEL დანერგილია კასკადური ახალი ნაჭრის ტექნოლოგიით. ბოლო დროს დაფიქსირდა 100 გვტ პიკური სიმძლავრის ატოწამური იმპულსების გენერირება გაძლიერებული თვითგაძლიერებული სპონტანური ემისიის (ESASE) მეთოდის გამოყენებით.

მკვლევარმა ჯგუფმა გამოიყენა XFEL-ზე დაფუძნებული ორეტაპიანი გამაძლიერებელი სისტემა, რათა გაეძლიერებინა რბილი რენტგენის ატოწამური პულსის გამომავალი ლინაკალური თანმიმდევრულიდან.სინათლის წყაროTW დონემდე, სიდიდის წესრიგის გაუმჯობესება მოხსენებულ შედეგებთან შედარებით. ექსპერიმენტული კონფიგურაცია ნაჩვენებია სურათზე 1. ESASE მეთოდის საფუძველზე, ფოტოკათოდური ემიტერი მოდულირებულია ელექტრონის სხივის მისაღებად მაღალი დენის მწვერვალებით და გამოიყენება ატტოწამური რენტგენის იმპულსების წარმოქმნისთვის. საწყისი პულსი განლაგებულია ელექტრონული სხივის მწვერვალის წინა კიდეზე, როგორც ნაჩვენებია სურათი 1-ის ზედა მარცხენა კუთხეში. როდესაც XFEL მიაღწევს გაჯერებას, ელექტრონული სხივი დაყოვნებულია რენტგენის მიმართ მაგნიტური კომპრესორის მიერ, და შემდეგ პულსი ურთიერთქმედებს ელექტრონის სხივთან (ახალი ნაჭერი), რომელიც არ არის შეცვლილი ESASE მოდულაციის ან FEL ლაზერის მიერ. და ბოლოს, მეორე მაგნიტური ტალღოვანი გამოიყენება რენტგენის სხივების შემდგომი გასაძლიერებლად ატოწამური იმპულსების ახალ ნაჭერთან ურთიერთქმედების გზით.

ნახ. 1 ექსპერიმენტული მოწყობილობის დიაგრამა; ილუსტრაცია გვიჩვენებს გრძივი ფაზის სივრცეს (ელექტრონის დრო-ენერგეტიკული დიაგრამა, მწვანე), მიმდინარე პროფილი (ლურჯი) და პირველი რიგის გაძლიერების შედეგად წარმოქმნილი გამოსხივება (იისფერი). XTCAV, X-band განივი ღრუ; cVMI, კოაქსიალური სწრაფი რუკების გამოსახულების სისტემა; FZP, Fresnel band plate სპექტრომეტრი

ყველა ატოწამული პულსი აგებულია ხმაურისგან, ამიტომ თითოეულ პულსს აქვს განსხვავებული სპექტრალური და დროის დომენის თვისებები, რაც მკვლევარებმა უფრო დეტალურად გამოიკვლიეს. სპექტრების თვალსაზრისით, მათ გამოიყენეს Fresnel band plate სპექტრომეტრი ცალკეული იმპულსების სპექტრების გასაზომად ტალღის სხვადასხვა ეკვივალენტურ სიგრძეზე და დაადგინეს, რომ ეს სპექტრები ინარჩუნებენ გლუვ ტალღურ ფორმებს მეორადი გაძლიერების შემდეგაც, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ პულსები რჩებოდა ცალმხრივი. დროის დომენში იზომება კუთხოვანი ზოლი და ხასიათდება პულსის დროის დომენის ტალღის ფორმა. როგორც სურათი 1-ზეა ნაჩვენები, რენტგენის პულსი გადახურულია წრიულად პოლარიზებულ ინფრაწითელ ლაზერულ პულსთან. რენტგენის პულსის მიერ იონიზებული ფოტოელექტრონები წარმოქმნიან ზოლებს ინფრაწითელი ლაზერის ვექტორული პოტენციალის საწინააღმდეგო მიმართულებით. იმის გამო, რომ ლაზერის ელექტრული ველი ბრუნავს დროთა განმავლობაში, ფოტოელექტრონის იმპულსის განაწილება განისაზღვრება ელექტრონის ემისიის დროით და დგინდება კავშირი ემისიის დროის კუთხური რეჟიმისა და ფოტოელექტრონის იმპულსის განაწილებას შორის. ფოტოელექტრონის იმპულსის განაწილება იზომება კოაქსიალური სწრაფი რუკების გამოსახულების სპექტრომეტრის გამოყენებით. განაწილებისა და სპექტრული შედეგების საფუძველზე, შესაძლებელია ატოწამის იმპულსების დროის დომენის ტალღის რეკონსტრუქცია. სურათი 2 (a) გვიჩვენებს პულსის ხანგრძლივობის განაწილებას, მედიანურით 440 როგორც. საბოლოოდ, გაზის მონიტორინგის დეტექტორი გამოიყენეს პულსის ენერგიის გასაზომად და გამოითვალა სკატერის დიაპაზონი პულსის პიკურ სიმძლავრესა და პულსის ხანგრძლივობას შორის, როგორც ნაჩვენებია 2 (ბ) სურათზე. სამი კონფიგურაცია შეესაბამება ელექტრონული სხივის ფოკუსირების სხვადასხვა პირობებს, ტალღის კონუსის პირობებს და მაგნიტური კომპრესორის დაყოვნების პირობებს. სამმა კონფიგურაციამ გამოიღო საშუალო პულსის ენერგია 150, 200 და 260 μJ, შესაბამისად, მაქსიმალური პიკური სიმძლავრით 1.1 ტვ.

სურათი 2. (ა) ნახევრად სიმაღლის სრული სიგანის (FWHM) პულსის ხანგრძლივობის განაწილების ჰისტოგრამა; (ბ) პიკური სიმძლავრის და პულსის ხანგრძლივობის შესაბამისი სკატერული დიაგრამა

გარდა ამისა, კვლევამ ასევე პირველად დააფიქსირა რენტგენის ზოლში სოლიტონის მსგავსი სუპერემისიის ფენომენი, რომელიც ვლინდება პულსის უწყვეტი შემცირების სახით ამპლიფიკაციის დროს. ეს გამოწვეულია ელექტრონებსა და გამოსხივებას შორის ძლიერი ურთიერთქმედებით, ენერგია სწრაფად გადადის ელექტრონიდან რენტგენის პულსის თავში და უკან ელექტრონს პულსის კუდიდან. ამ ფენომენის სიღრმისეული შესწავლით, მოსალოდნელია, რომ რენტგენის იმპულსები უფრო მოკლე ხანგრძლივობით და მაღალი პიკური სიმძლავრით შეიძლება განხორციელდეს სუპერრადიაციული გაძლიერების პროცესის გაფართოებით და პულსის შემცირებით სოლიტონის მსგავს რეჟიმში.