TW sınıfı attosaniye X-ışını darbeli lazer

TW sınıfı attosaniye X-ışını darbeli lazer
Attosaniye X-ışınıdarbeli lazerYüksek güç ve kısa darbe süresi, ultra hızlı doğrusal olmayan spektroskopi ve X-ışını kırınımı görüntülemesi elde etmenin anahtarıdır. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki araştırma ekibi, iki aşamalı bir diziX-ışını içermeyen elektron lazerleriAyrık attosaniye darbeleri üretmek için. Mevcut raporlarla karşılaştırıldığında, darbelerin ortalama tepe gücü bir mertebe artmış, maksimum tepe gücü 1,1 TW ve medyan enerjisi 100 μJ'den fazladır. Çalışma ayrıca, X-ışını alanında soliton benzeri süperradyasyon davranışına dair güçlü kanıtlar sunmaktadır.Yüksek enerjili lazerlerYüksek alan fiziği, attosaniye spektroskopisi ve lazer parçacık hızlandırıcıları dahil olmak üzere birçok yeni araştırma alanına öncülük etmiştir. Tüm lazer türleri arasında X-ışınları, tıbbi teşhis, endüstriyel hata tespiti, güvenlik denetimi ve bilimsel araştırmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. X-ışını serbest elektron lazeri (XFEL), diğer X-ışını üretim teknolojilerine kıyasla tepe X-ışını gücünü birkaç kat artırabilir ve böylece X-ışınlarının yüksek güce ihtiyaç duyulan doğrusal olmayan spektroskopi ve tek parçacık kırınımı görüntüleme alanına uygulanmasını genişletir. Son zamanlarda başarılı olan attosaniye XFEL, attosaniye bilimi ve teknolojisinde önemli bir başarıdır ve mevcut tepe gücünü, tezgah üstü X-ışını kaynaklarına kıyasla altı katın üzerinde artırır.

Serbest elektron lazerleriRelativistik elektron demetindeki radyasyon alanı ile manyetik osilatör arasındaki sürekli etkileşimden kaynaklanan kolektif kararsızlık kullanılarak, kendiliğinden emisyon seviyesinden çok daha yüksek büyüklük mertebelerinde darbe enerjileri elde edilebilir. Sert X-ışını aralığında (yaklaşık 0,01 nm ila 0,1 nm dalga boyu), FE, demet sıkıştırma ve doygunluk sonrası konikleştirme teknikleriyle elde edilir. Yumuşak X-ışını aralığında (yaklaşık 0,1 nm ila 10 nm dalga boyu), FE, kademeli taze dilim teknolojisiyle uygulanır. Son zamanlarda, 100 GW tepe gücüne sahip attosaniye darbelerinin, geliştirilmiş kendiliğinden güçlendirilmiş kendiliğinden emisyon (ESASE) yöntemi kullanılarak üretildiği bildirilmiştir.

Araştırma ekibi, doğrusal hızlandırıcının tutarlılığından gelen yumuşak X-ışını attosaniye darbe çıkışını yükseltmek için XFEL'e dayalı iki aşamalı bir amplifikasyon sistemi kullandıışık kaynağıTW seviyesine, bildirilen sonuçlara göre bir büyüklük sırası iyileştirme. Deneysel kurulum Şekil 1'de gösterilmiştir. ESASE yöntemine dayalı olarak, fotokatot yayıcı, yüksek akım sivri uçlu bir elektron demeti elde etmek için modüle edilir ve attosaniye X-ışını darbeleri üretmek için kullanılır. İlk darbe, Şekil 1'in sol üst köşesinde gösterildiği gibi, elektron demetinin sivri ucunun ön kenarında bulunur. XFEL doygunluğa ulaştığında, elektron demeti manyetik bir kompresör tarafından X-ışınlarına göre geciktirilir ve ardından darbe, ESASE modülasyonu veya FEL lazeri tarafından değiştirilmemiş elektron demetiyle (yeni dilim) etkileşime girer. Son olarak, attosaniye darbelerinin yeni dilimle etkileşimi yoluyla X-ışınlarını daha da güçlendirmek için ikinci bir manyetik ondülatör kullanılır.

ŞEKİL 1 Deneysel cihaz diyagramı; Şekilde uzunlamasına faz uzayı (elektronun zaman-enerji diyagramı, yeşil), akım profili (mavi) ve birinci dereceden amplifikasyonla üretilen radyasyon (mor) gösterilmektedir. XTCAV, X-bant enine boşluk; cVMI, koaksiyel hızlı haritalama görüntüleme sistemi; FZP, Fresnel bant plaka spektrometresi

Tüm attosaniye darbeleri gürültüden oluştuğu için, her darbenin farklı spektral ve zaman alanı özellikleri vardır ve araştırmacılar bunları daha ayrıntılı olarak incelemiştir. Spektrumlar açısından, farklı eşdeğer ondülatör uzunluklarındaki bireysel darbelerin spektrumlarını ölçmek için bir Fresnel bant plaka spektrometresi kullandılar ve bu spektrumların ikincil amplifikasyondan sonra bile düzgün dalga formlarını koruduğunu, bunun da darbelerin tek modlu kaldığını gösterdiğini buldular. 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 örtüşür. X-ışını darbesiyle iyonlaşan fotoelektronlar, kızılötesi lazerin vektör potansiyelinin ters yönünde çizgiler üretecektir. Lazerin elektrik alanı zamanla döndüğünden, fotoelektronun momentum dağılımı elektron emisyon zamanına göre belirlenir ve emisyon zamanının 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 formu yeniden oluşturulabilir. Şekil 2 (a), medyanı 440 µJ olan darbe süresinin dağılımını göstermektedir. Son olarak, gaz izleme dedektörü darbe enerjisini ölçmek için kullanıldı ve Şekil 2 (b)'de gösterildiği gibi tepe darbe gücü ile darbe süresi arasındaki saçılma grafiği hesaplandı. Üç konfigürasyon, farklı elektron ışını odaklama koşullarına, dalga konisi koşullarına ve manyetik kompresör gecikme koşullarına karşılık gelir. Üç konfigürasyon, sırasıyla 150, 200 ve 260 µJ ortalama darbe enerjileri ve 1,1 TW maksimum tepe gücü üretti.

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

Çalışmada ayrıca, X-ışını bandında amplifikasyon sırasında sürekli bir darbe kısalması olarak ortaya çıkan soliton benzeri süperemisyon olgusu da ilk kez gözlemlenmiştir. Bu olgu, elektronlar ve radyasyon arasındaki güçlü bir etkileşimden kaynaklanır ve enerji, elektrondan X-ışını darbesinin başına ve darbenin kuyruğundan elektrona hızla aktarılır. Bu olgunun derinlemesine incelenmesiyle, süperradyasyon amplifikasyon sürecinin uzatılması ve soliton benzeri modda darbe kısalmasının avantajlarından yararlanılarak daha kısa süreli ve daha yüksek tepe gücüne sahip X-ışını darbelerinin daha da geliştirilebileceği düşünülmektedir.