TW sınıfı attosaniye X-ışını darbe lazeri

TW sınıfı attosaniye X-ışını darbe lazeri
Attosaniye X-ışınıdarbeli lazerYüksek güç ve kısa darbe süresi, ultra hızlı doğrusal olmayan spektroskopi ve X-ışını kırınım görüntülemesi elde etmenin anahtarıdır. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki araştırma ekibi, iki aşamalı bir kademe kullandı.X-ışını serbest elektron lazerleriAyrık attosaniye darbeleri üretmek için. Mevcut raporlarla karşılaştırıldığında, darbelerin ortalama tepe gücü bir mertebe artırılmış, maksimum tepe gücü 1,1 TW ve medyan enerji 100 μJ'den fazladır. Çalışma ayrıca X-ışını alanında soliton benzeri süperradyasyon davranışı için güçlü kanıtlar sunmaktadır.Yüksek enerjili lazerlerYüksek alan fiziği, attosaniye spektroskopisi ve lazer parçacık hızlandırıcıları da dahil olmak üzere birçok yeni araştırma alanını yönlendirmiştir. 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 teknolojilerine kıyasla tepe X-ışını gücünü birkaç kat artırabilir ve böylece X-ışınlarının uygulamasını, yüksek gücün gerekli olduğu doğrusal olmayan spektroskopi ve tek parçacık kırınım görüntüleme alanına genişletebilir. Son zamanlarda başarıyla geliştirilen attosaniye XFEL, attosaniye bilim ve teknolojisinde önemli bir başarı olup, masaüstü X-ışını kaynaklarına kıyasla mevcut tepe gücünü altı kattan fazla artırmıştır.

Serbest elektron lazerleriRelativistik elektron demetindeki radyasyon alanının manyetik osilatörle sürekli etkileşiminden kaynaklanan kolektif kararsızlık kullanılarak, kendiliğinden emisyon seviyesinden çok daha yüksek mertebelerde darbe enerjileri elde edilebilir. Sert X-ışını aralığında (yaklaşık 0,01 nm ila 0,1 nm dalga boyu), FEL, demet sıkıştırma ve doygunluk sonrası konikleştirme 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, geliştirilmiş kendiliğinden yükseltilmiş kendiliğinden emisyon (ESASE) yöntemi kullanılarak 100 GW tepe gücüne sahip attosaniye darbelerinin üretildiği bildirilmiştir.

Araştırma ekibi, lineer hızlandırıcıdan gelen yumuşak X-ışını attosaniye darbesini yükseltmek için XFEL tabanlı iki aşamalı bir yükseltme sistemi kullandı.ışık kaynağıTW seviyesine, bildirilen sonuçlara göre bir büyüklük mertebesinde iyileşme sağlanmıştır. Deneysel düzenek Şekil 1'de gösterilmiştir. ESASE yöntemine dayanarak, fotokatot yayıcı, yüksek akım tepe noktasına sahip 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 tepe noktasının ön kenarında bulunur. XFEL doygunluğa ulaştığında, elektron demeti manyetik bir sıkıştırıcı tarafından X-ışınına göre geciktirilir ve ardından darbe, ESASE modülasyonu veya FEL lazeri tarafından değiştirilmemiş elektron demeti (taze dilim) ile etkileşime girer. Son olarak, attosaniye darbelerinin taze dilimle etkileşimi yoluyla X-ışınlarını daha da yükseltmek için ikinci bir manyetik undülatör kullanılır.

ŞEKİL 1. Deneysel cihaz şeması; Şekil, boyuna faz uzayını (elektronun zaman-enerji diyagramı, yeşil), akım profilini (mavi) ve birinci dereceden yükseltme ile üretilen radyasyonu (mor) göstermektedir. XTCAV, X-band enine boşluk; cVMI, koaksiyel hızlı haritalama görüntüleme sistemi; FZP, Fresnel bant plakası 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 undülatör uzunluklarında tek tek darbelerin spektrumlarını ölçmek için bir Fresnel bant plakası spektrometresi kullandılar ve bu spektrumların ikincil yükseltmeden sonra bile düzgün dalga biçimlerini koruduğunu, yani darbelerin tek modlu kaldığını buldular. Zaman alanında, açısal saçak ölçülür ve darbenin zaman alanı dalga biçimi karakterize edilir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, X-ışını darbesi dairesel polarize kızılötesi lazer darbesiyle üst üste bindirilmiştir. X-ışını darbesi tarafından iyonize edilen fotoelektronlar, kızılötesi lazerin vektör potansiyelinin ters yönünde çizgiler oluşturacaktır. Lazerin elektrik alanı zamanla döndüğü için, fotoelektronun momentum dağılımı elektron emisyon zamanı tarafından belirlenir ve emisyon zamanının açısal modu ile fotoelektronun momentum dağılımı arasındaki ilişki kurulur. Fotoelektron momentumunun dağılımı, koaksiyel hızlı haritalama görüntüleme spektrometresi kullanılarak ölçülmüştür. Dağılım ve spektral sonuçlara dayanarak, attosaniye darbelerinin zaman alanındaki dalga formu yeniden oluşturulabilir. Şekil 2 (a), 440 as medyan değerine sahip darbe süresinin dağılımını göstermektedir. Son olarak, darbe enerjisini ölçmek için gaz izleme dedektörü kullanılmış ve Şekil 2 (b)'de gösterildiği gibi tepe darbe gücü ile darbe süresi arasındaki dağılım grafiği hesaplanmıştır. Üç konfigürasyon, farklı elektron ışını odaklama koşullarına, dalga konileme koşullarına ve manyetik kompresör gecikme koşullarına karşılık gelmektedir. Üç konfigürasyon sırasıyla 150, 200 ve 260 µJ ortalama darbe enerjisi ve 1,1 TW maksimum tepe gücü vermiştir.

Şekil 2. (a) Yarı yükseklik tam genişlik (FWHM) darbe süresinin dağılım histogramı; (b) Tepe gücü ve darbe süresine karşılık gelen saçılım grafiği

Ek olarak, çalışma ilk kez X-ışını bandında soliton benzeri süperemisyon olgusunu da gözlemlemiştir; bu olgu, yükseltme sırasında sürekli bir darbe kısalması şeklinde ortaya çıkar. Bu durum, elektronlar ve radyasyon arasındaki güçlü etkileşimden kaynaklanır; enerji, elektrondan X-ışını darbesinin başına ve darbenin kuyruğundan tekrar elektrona hızla aktarılır. Bu olgunun derinlemesine incelenmesiyle, süperradyasyon yükseltme sürecini uzatarak ve soliton benzeri modda darbe kısalmasından yararlanarak daha kısa süreli ve daha yüksek tepe gücüne sahip X-ışını darbelerinin elde edilebileceği öngörülmektedir.