TW კლასის ატოწამიანი რენტგენის პულსური ლაზერი

TW კლასის ატოწამიანი რენტგენის პულსური ლაზერი
ატოსეკონდული რენტგენიპულსური ლაზერიმაღალი სიმძლავრისა და მოკლე იმპულსის ხანგრძლივობის მქონე ტექნოლოგიები ულტრასწრაფი არაწრფივი სპექტროსკოპიისა და რენტგენის დიფრაქციული გამოსახულების მიღწევის გასაღებია. ამერიკის შეერთებულ შტატებში კვლევითმა ჯგუფმა ორეტაპიანი კასკადი გამოიყენა.რენტგენის თავისუფალი ელექტრონული ლაზერებიდისკრეტული ატოწამიანი იმპულსების გამოსატანად. არსებულ ანგარიშებთან შედარებით, იმპულსების საშუალო პიკური სიმძლავრე გაზრდილია სიდიდის რიგით, მაქსიმალური პიკური სიმძლავრეა 1.1 ტვ, ხოლო საშუალო ენერგია 100 μJ-ზე მეტი. კვლევა ასევე იძლევა ძლიერ მტკიცებულებას რენტგენის ველში სოლიტონის მსგავსი სუპერგამოსხივების ქცევის შესახებ.მაღალი ენერგიის ლაზერებიკვლევის მრავალი ახალი სფეროს ბიძგი მისცა, მათ შორის მაღალი ველის ფიზიკას, ატოწამიან სპექტროსკოპიას და ლაზერულ ნაწილაკების ამაჩქარებლებს. ყველა სახის ლაზერს შორის, რენტგენის სხივები ფართოდ გამოიყენება სამედიცინო დიაგნოსტიკაში, სამრეწველო დეფექტების აღმოჩენაში, უსაფრთხოების შემოწმებასა და სამეცნიერო კვლევებში. რენტგენის თავისუფალი ელექტრონული ლაზერი (XFEL) რენტგენის პიკური სიმძლავრის რამდენიმე რიგით გაზრდას რენტგენის სხვა გენერაციის ტექნოლოგიებთან შედარებით, რითაც აფართოებს რენტგენის სხივების გამოყენებას არაწრფივი სპექტროსკოპიისა და ერთნაწილაკიანი დიფრაქციული გამოსახულების სფეროში, სადაც მაღალი სიმძლავრეა საჭირო. ბოლოდროინდელი წარმატებული ატოწამიანი XFEL ატოწამიან მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაში მნიშვნელოვანი მიღწევაა, რომელიც ხელმისაწვდომ პიკურ სიმძლავრეს ექვს რიგით მეტით ზრდის რენტგენის სხივების სკამურ წყაროებთან შედარებით.

თავისუფალი ელექტრონული ლაზერებიკოლექტიური არასტაბილურობის გამოყენებით, რაც გამოწვეულია რელატივისტურ ელექტრონულ სხივსა და მაგნიტურ ოსცილატორში გამოსხივების ველის უწყვეტი ურთიერთქმედებით, შესაძლებელია იმპულსური ენერგიების მიღება, რომლებიც სპონტანური ემისიის დონეზე მრავალი რიგით მაღალია. მყარი რენტგენის დიაპაზონში (დაახლოებით 0.01 ნმ-დან 0.1 ნმ ტალღის სიგრძემდე), FEL მიიღწევა შეკვრის შეკუმშვისა და პოსტ-სატურაციის კონუსური ტექნიკით. რბილი რენტგენის დიაპაზონში (დაახლოებით 0.1 ნმ-დან 10 ნმ ტალღის სიგრძემდე), FEL ხორციელდება კასკადური ახალი ნაჭრის ტექნოლოგიით. ბოლო დროს, გაძლიერებული თვითგაძლიერებული სპონტანური ემისიის (ESASE) მეთოდის გამოყენებით, აღინიშნა ატოწამური იმპულსების გენერირება 100 გვტ პიკური სიმძლავრით.

ხაზოვანი კოჰერენტული სიგნალიდან გამომავალი რბილი რენტგენის ატოწამური იმპულსის გასაძლიერებლად, კვლევის ჯგუფმა გამოიყენა XFEL-ზე დაფუძნებული ორეტაპიანი გამაძლიერებელი სისტემა.სინათლის წყაროTW დონემდე, რაც მოხსენებულ შედეგებთან შედარებით მასშტაბური გაუმჯობესებაა. ექსპერიმენტული სქემა ნაჩვენებია ნახაზ 1-ში. ESASE მეთოდზე დაყრდნობით, ფოტოკათოდური ემიტერი მოდულირდება მაღალი დენის პიკით ელექტრონული სხივის მისაღებად და გამოიყენება ატოწამიანი რენტგენის იმპულსების გენერირებისთვის. საწყისი იმპულსი მდებარეობს ელექტრონული სხივის პიკის წინა კიდეზე, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათი 1-ის ზედა მარცხენა კუთხეში. როდესაც XFEL აღწევს გაჯერებას, ელექტრონული სხივი რენტგენთან შედარებით შეფერხებულია მაგნიტური კომპრესორით და შემდეგ იმპულსი ურთიერთქმედებს ელექტრონულ სხივთან (ახალ ნაჭერთან), რომელიც არ არის მოდიფიცირებული ESASE მოდულაციით ან FEL ლაზერით. დაბოლოს, მეორე მაგნიტური უნდულატორი გამოიყენება რენტგენის სხივების შემდგომი გაძლიერებისთვის ატოწამიანი იმპულსების ახალ ნაჭერთან ურთიერთქმედების გზით.

სურ. 1 ექსპერიმენტული მოწყობილობის დიაგრამა; ილუსტრაციაზე ნაჩვენებია გრძივი ფაზური სივრცე (ელექტრონის დრო-ენერგიის დიაგრამა, მწვანე), დენის პროფილი (ლურჯი) და პირველი რიგის ამპლიფიკაციით წარმოქმნილი გამოსხივება (იისფერი). XTCAV, X-ზოლიანი განივი ღრუ; cVMI, კოაქსიალური სწრაფი რუკების ვიზუალიზაციის სისტემა; FZP, ფრენელის ზოლიანი ფირფიტის სპექტრომეტრი

ყველა ატოწამიანი იმპულსი ხმაურისგან არის აგებული, ამიტომ თითოეულ იმპულსს განსხვავებული სპექტრული და დროის დომენის თვისებები აქვს, რომლებიც მკვლევარებმა უფრო დეტალურად შეისწავლეს. სპექტრების თვალსაზრისით, მათ გამოიყენეს ფრენელის ზოლის ფირფიტის სპექტრომეტრი ცალკეული იმპულსების სპექტრების გასაზომად სხვადასხვა ეკვივალენტური უნდულატორის სიგრძეზე და აღმოაჩინეს, რომ ეს სპექტრები ინარჩუნებდნენ გლუვ ტალღურ ფორმებს მეორადი გაძლიერების შემდეგაც კი, რაც მიუთითებს, რომ იმპულსები უნიმოდალური რჩებოდა. დროის დომენში იზომება კუთხოვანი ზოლი და ხასიათდება იმპულსის დროის დომენის ტალღური ფორმა. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 1-ში, რენტგენის იმპულსი გადაფარავს წრიულად პოლარიზებულ ინფრაწითელ ლაზერულ იმპულსს. რენტგენის იმპულსით იონიზებული ფოტოელექტრონები წარმოქმნიან ზოლებს ინფრაწითელი ლაზერის ვექტორული პოტენციალის საპირისპირო მიმართულებით. იმის გამო, რომ ლაზერის ელექტრული ველი დროთა განმავლობაში ბრუნავს, ფოტოელექტრონის იმპულსის განაწილება განისაზღვრება ელექტრონის გამოსხივების დროით და დგინდება ურთიერთობა გამოსხივების დროის კუთხურ მოდასა და ფოტოელექტრონის იმპულსის განაწილებას შორის. ფოტოელექტრონის იმპულსის განაწილება იზომება კოაქსიალური სწრაფი რუკების გამოსახულების სპექტრომეტრის გამოყენებით. განაწილებისა და სპექტრული შედეგების საფუძველზე, შესაძლებელია ატოწამიანი იმპულსების დროის დომენის ტალღური ფორმის რეკონსტრუქცია. სურათი 2 (ა) გვიჩვენებს იმპულსის ხანგრძლივობის განაწილებას, მედიანით 440 ას. და ბოლოს, იმპულსის ენერგიის გასაზომად გამოყენებული იქნა გაზის მონიტორინგის დეტექტორი და გამოითვალა გაფანტვის დიაგრამა პიკურ იმპულსის სიმძლავრესა და იმპულსის ხანგრძლივობას შორის, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათი 2 (ბ)-ზე. სამი კონფიგურაცია შეესაბამება ელექტრონული სხივის ფოკუსირების სხვადასხვა პირობებს, ტალღოვანი კონუსის პირობებს და მაგნიტური კომპრესორის დაყოვნების პირობებს. სამი კონფიგურაციის საშუალო იმპულსის ენერგია იყო 150, 200 და 260 µJ, შესაბამისად, მაქსიმალური პიკური სიმძლავრით 1.1 TW.

სურათი 2. (ა) ნახევრად სიმაღლისა და სრული სიგანის (FWHM) იმპულსის ხანგრძლივობის განაწილების ჰისტოგრამა; (ბ) პიკური სიმძლავრისა და იმპულსის ხანგრძლივობის შესაბამისი გაფანტვის დიაგრამა

გარდა ამისა, კვლევაში პირველად დაფიქსირდა რენტგენის ზოლში სოლიტონის მსგავსი სუპერემისიის ფენომენი, რომელიც გაძლიერების დროს იმპულსის უწყვეტი შემოკლების სახით ვლინდება. ეს გამოწვეულია ელექტრონებსა და გამოსხივებას შორის ძლიერი ურთიერთქმედებით, ენერგია სწრაფად გადადის ელექტრონიდან რენტგენის იმპულსის თავში და იმპულსის კუდიდან ელექტრონზე. ამ ფენომენის სიღრმისეული შესწავლის შედეგად, მოსალოდნელია, რომ უფრო მოკლე ხანგრძლივობისა და უფრო მაღალი პიკური სიმძლავრის რენტგენის იმპულსების შემდგომი რეალიზება შესაძლებელია სუპერგამოსხივების გაძლიერების პროცესის გაფართოებით და სოლიტონის მსგავს რეჟიმში იმპულსის შემოკლების უპირატესობის გამოყენებით.