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 serbest elektron lazerleriayrık attosaniye darbeleri çıkarmak için. Mevcut raporlarla karşılaştırıldığında, darbelerin ortalama tepe gücü bir büyüklük sırası kadar artırılmıştır, maksimum tepe gücü 1,1 TW'dir ve medyan enerjisi 100 μJ'den fazladır. Çalışma ayrıca X-ışını alanında soliton benzeri süperradyasyon davranışı için güçlü kanıtlar sağlar.Yüksek enerjili lazerleryüksek alan fiziği, attosaniye spektroskopisi ve lazer parçacık hızlandırıcıları dahil olmak üzere birçok yeni araştırma alanını yönlendirmiştir. Her türlü lazer arasında, X-ışınları tıbbi teşhis, endüstriyel kusur tespiti, güvenlik denetimi ve bilimsel araştırmalarda yaygın olarak kullanılır. X-ışını serbest elektron lazeri (XFEL), diğer X-ışını üretim teknolojilerine kıyasla tepe X-ışını gücünü birkaç büyüklük sırasına kadar artırabilir, böylece X-ışınlarının yüksek gücün gerekli olduğu doğrusal olmayan spektroskopi ve tek parçacık kırınımı görüntüleme alanına uygulanmasını genişletir. Son zamanlarda başarılı olan attosaniye XFEL, attosaniye bilimi ve teknolojisinde büyük bir başarıdır ve mevcut tepe gücünü tezgah üstü X-ışını kaynaklarına kıyasla altı büyüklük sırasından fazla artırır.

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

Araştırma ekibi, doğrusal hızlandırıcının tutarlılığından gelen yumuşak X-ışını attosaniye darbe çıkışını yükseltmek için XFEL tabanlı iki aşamalı bir amplifikasyon sistemi kullandıışık kaynağıTW seviyesine, bildirilen sonuçlara göre bir büyüklük sırası iyileştirme. Deneysel kurulum Şekil 1'de gösterilmiştir. ESASE yöntemine dayanarak, fotokatot yayıcı, yüksek akım sivri uçlu bir elektron ışını elde etmek için modüle edilir ve attosaniye X-ışını darbeleri üretmek için kullanılır. İlk darbe, Şekil 1'in sol üst köşesinde gösterildiği gibi, elektron ışınının sivri ucunun ön kenarında bulunur. XFEL doygunluğa ulaştığında, elektron ışını manyetik bir kompresör tarafından X-ışınlarına göre geciktirilir ve ardından darbe, ESASE modülasyonu veya FEL lazeri tarafından değiştirilmemiş elektron ışınıyla (taze dilim) etkileşime girer. Son olarak, attosaniye darbelerinin taze dilimle etkileşimi yoluyla X-ışınlarını daha da yükseltmek 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 oluşur, bu nedenle her darbenin araştırmacıların daha ayrıntılı olarak incelediği farklı spektral ve zaman alanı özellikleri vardır. 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 buldular, bu da darbelerin tek modlu kaldığını gösteriyor. 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 iyonize edilen fotoelektronlar, kızılötesi lazerin vektör potansiyelinin ters yönünde çizgiler üretecektir. Lazerin elektrik alanı zamanla döndüğünden, fotoelektronun momentum dağılımı elektron emisyonu 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 as olan darbe süresinin dağılımını gösterir. 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 gücü ve darbe süresine karşılık gelen dağılım grafiği

Ek olarak, çalışmada ilk kez X-ışını bandında, amplifikasyon sırasında sürekli bir darbe kısalması olarak görülen soliton benzeri süperemisyon fenomeni de gözlemlendi. Bu, elektronlar ve radyasyon arasındaki güçlü bir etkileşimden kaynaklanır ve enerji, elektrondan X-ışını darbesinin başına ve darbenin kuyruğundan elektrona hızla aktarılır. Bu fenomenin derinlemesine incelenmesiyle, süperradyasyon amplifikasyon sürecini uzatarak ve soliton benzeri modda darbe kısalmasından yararlanarak daha kısa süreli ve daha yüksek tepe gücüne sahip X-ışını darbelerinin daha da gerçekleştirilebileceği beklenmektedir.