TW sınıfı attosaniye X-ışını darbe lazeri

TW sınıfı attosaniye X-ışını darbe lazeri
Attosaniye X-ışınıdarbe lazeriYüksek güç ve kısa darbe süresine sahip olan bu cihazlar, ultra hızlı doğrusal olmayan spektroskopi ve X-ışını kırınımlı görüntüleme elde etmenin anahtarıdır. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki araştırma ekibi iki aşamalı bir dizi yöntem kullandı.X-ışını içermeyen elektron lazerleriayrık attosaniye darbeleri çıkarmak için. Mevcut raporlarla karşılaştırıldığında, darbelerin ortalama tepe gücü büyüklük sırasına göre artırılmıştır, maksimum tepe gücü 1,1 TW'dir ve ortalama enerji 100 μJ'den fazladır. Çalışma aynı zamanda X-ışını alanında soliton benzeri süperradyasyon davranışı için güçlü kanıtlar sağlıyor.Yüksek enerjili lazerleryüksek alan fiziği, attosaniye spektroskopisi ve lazer parçacık hızlandırıcıları dahil olmak üzere birçok yeni araştırma alanını yönlendirdi. Tüm lazer türleri arasında X ışınları, tıbbi teşhis, endüstriyel kusur tespiti, güvenlik denetimi ve bilimsel araştırmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. X-ışını serbest elektron lazeri (XFEL), diğer X-ışını üretim teknolojileriyle karşılaştırıldığında tepe X-ışını gücünü birkaç kat artırabilir, böylece X-ışınlarının doğrusal olmayan spektroskopi ve tek-ışınlı spektroskopi alanına uygulanmasını genişletebilir. Yüksek gücün gerekli olduğu yerlerde parçacık kırınımlı görüntüleme. Son zamanlardaki başarılı attosaniye XFEL, attosaniye bilimi ve teknolojisinde büyük bir başarıdır ve masaüstü X-ışını kaynaklarıyla karşılaştırıldığında mevcut tepe gücünü altı kattan fazla artırır.

Serbest elektron lazerlerigöreli elektron ışını ve manyetik osilatördeki radyasyon alanının sürekli etkileşiminden kaynaklanan kolektif kararsızlığı kullanarak kendiliğinden emisyon seviyesinden birçok büyüklükte darbe enerjileri elde edebilir. Sert X-ışını aralığında (yaklaşık 0,01 nm ila 0,1 nm dalga boyu), FEL, demet sıkıştırma ve doyma sonrası konileme teknikleriyle elde edilir. Yumuşak X-ışını aralığında (yaklaşık 0,1 nm ila 10 nm dalga boyu), FEL, kademeli taze dilim teknolojisi ile uygulanır. Son zamanlarda, 100 GW tepe gücüne sahip attosaniye darbelerinin, geliştirilmiş kendi kendini güçlendiren spontan emisyon (ESASE) yöntemi kullanılarak üretildiği rapor edilmiştir.

Araştırma ekibi, linak tutarlıdan gelen yumuşak X-ışını attosaniye darbe çıkışını yükseltmek için XFEL'e dayalı iki aşamalı bir amplifikasyon sistemi kullandı.ışık kaynağıTW seviyesine kadar, rapor edilen sonuçlara göre büyük bir iyileşme. Deney düzeneği Şekil 1'de gösterilmektedir. ESASE yöntemine dayalı olarak, fotokatot yayıcı, yüksek akım artışına sahip bir elektron ışını elde edecek şekilde modüle edilir ve attosaniyelik X-ışını darbeleri üretmek için kullanılır. İlk darbe, Şekil 1'in sol üst köşesinde gösterildiği gibi, elektron ışınının sivri ucunun ön kenarında bulunur. XFEL doyuma ulaştığında, elektron ışını, manyetik bir kompresör tarafından X-ışınına göre geciktirilir, ve daha sonra darbe, ESASE modülasyonu veya FEL lazeri tarafından değiştirilmeyen elektron ışınıyla (taze dilim) etkileşime girer. Son olarak, attosaniye darbelerinin taze dilimle etkileşimi yoluyla X ışınlarını daha da güçlendirmek için ikinci bir manyetik dalgalandırıcı kullanılır.

İNCİR. 1 Deneysel cihaz şeması; Şekilde boylamsal faz alanı (elektronun zaman-enerji diyagramı, yeşil), akım profili (mavi) ve birinci dereceden amplifikasyonun ürettiği radyasyon (mor) gösterilmektedir. XTCAV, X-bandı enine boşluğu; cVMI, koaksiyel hızlı haritalama görüntüleme sistemi; FZP, Fresnel bant plakalı spektrometre

Tüm attosaniye darbeleri gürültüden yapılmıştır, dolayısıyla her darbe farklı spektral ve zaman alanı özelliklerine sahiptir ve araştırmacılar bunu daha ayrıntılı olarak araştırmıştır. Spektrum açısından, farklı eşdeğer dalgalandırıcı uzunluklarındaki bireysel darbelerin spektrumlarını ölçmek için bir Fresnel bant plaka spektrometresi kullandılar ve bu spektrumların ikincil amplifikasyondan sonra bile düzgün dalga formlarını koruduğunu buldular; bu da darbelerin tek modlu kaldığını gösterdi. Zaman alanında açısal saçak ölçülür ve darbenin zaman alanı dalga formu karakterize edilir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, X-ışını darbesi dairesel polarize kızılötesi lazer darbesiyle örtüşmektedir. X-ışını darbesi tarafından iyonize edilen fotoelektronlar, kızılötesi lazerin vektör potansiyeline zıt yönde çizgiler üretecektir. Lazerin elektrik alanı zamanla döndüğünden, fotoelektronun momentum dağılımı elektron emisyonunun süresine göre belirlenir ve emisyon süresinin açısal modu ile fotoelektronun momentum dağılımı arasındaki ilişki kurulur. Fotoelektron momentumunun dağılımı, koaksiyel hızlı haritalama görüntüleme spektrometresi kullanılarak ölçülür. Dağılım ve spektral sonuçlara dayanarak attosaniye darbelerinin zaman alanı dalga biçimi yeniden yapılandırılabilir. Şekil 2(a), nabız süresinin dağılımını ortalama 440 as ile göstermektedir. Son olarak, darbe enerjisini ölçmek için gaz izleme detektörü kullanıldı ve Şekil 2 (b)'de gösterildiği gibi tepe darbe gücü ile darbe süresi arasındaki dağılım grafiği hesaplandı. Üç konfigürasyon, farklı elektron ışını odaklanma koşullarına, dalgalı koni koşullarına ve manyetik kompresör gecikme koşullarına karşılık gelir. Üç konfigürasyon, maksimum 1,1 TW tepe gücüyle sırasıyla 150, 200 ve 260 µJ'lik ortalama darbe enerjileri verdi.

Şekil 2. (a) Yarı yükseklikte Tam genişlik (FWHM) darbe süresinin dağılım histogramı; (b) Tepe gücüne ve darbe süresine karşılık gelen dağılım grafiği

Ek olarak çalışma, amplifikasyon sırasında sürekli bir darbe kısalması olarak ortaya çıkan, X-ışını bandında soliton benzeri süper emisyon olgusunu da ilk kez gözlemledi. Bu durum, enerjinin elektrondan X-ışını darbesinin başına ve darbenin kuyruğundan elektrona hızla aktarılmasıyla, elektronlar ve radyasyon arasındaki güçlü etkileşimden kaynaklanır. Bu olgunun derinlemesine incelenmesi yoluyla, daha kısa süreli ve daha yüksek tepe gücüne sahip X-ışını darbelerinin, süperradyasyon amplifikasyon sürecinin genişletilmesi ve soliton benzeri modda darbe kısalmasının avantajından yararlanılmasıyla daha da gerçekleştirilebilmesi beklenmektedir.