Lazer pulsues me rreze X atosekondë i klasës TW
Rreze X atosekondëshelazer pulsuesme fuqi të lartë dhe kohëzgjatje të shkurtër të pulsit janë çelësi për të arritur spektroskopi jolineare ultra të shpejtë dhe imazhe me difraksion me rreze X. Ekipi i kërkimit në Shtetet e Bashkuara përdori një kaskadë me dy fazaLazerë pa elektrone me rreze Xpër të prodhuar impulse diskrete atosekondash. Krahasuar me raportet ekzistuese, fuqia mesatare maksimale e impulseve është rritur me një rend madhësie, fuqia maksimale maksimale është 1.1 TW, dhe energjia mesatare është më shumë se 100 μJ. Studimi gjithashtu ofron prova të forta për sjelljen e superrrezatimit të ngjashëm me solitonin në fushën e rrezeve X.Lazerë me energji të lartëkanë nxitur shumë fusha të reja kërkimore, duke përfshirë fizikën e fushës së lartë, spektroskopinë atosekondëshe dhe përshpejtuesit e grimcave me lazer. Ndër të gjitha llojet e lazerëve, rrezet X përdoren gjerësisht në diagnostikimin mjekësor, zbulimin e defekteve industriale, inspektimin e sigurisë dhe kërkimin shkencor. Lazeri me elektrone të lira me rreze X (XFEL) mund të rrisë fuqinë maksimale të rrezeve X me disa rend madhësie krahasuar me teknologjitë e tjera të gjenerimit të rrezeve X, duke zgjeruar kështu zbatimin e rrezeve X në fushën e spektroskopisë jolineare dhe imazherisë me difraksion me një grimcë të vetme ku kërkohet fuqi e lartë. XFEL i suksesshëm i kohëve të fundit me atosekondë është një arritje e madhe në shkencën dhe teknologjinë e atosekondës, duke rritur fuqinë maksimale të disponueshme me më shumë se gjashtë rend madhësie krahasuar me burimet e rrezeve X në laborator.
Lazerë me elektrone të liramund të marrin energji pulsesh shumë herë më të larta se niveli i emetimit spontan duke përdorur paqëndrueshmëri kolektive, e cila shkaktohet nga bashkëveprimi i vazhdueshëm i fushës së rrezatimit në rrezen elektronike relativiste dhe oscilatorin magnetik. Në diapazonin e fortë të rrezeve X (rreth 0.01 nm deri në 0.1 nm gjatësi vale), FEL arrihet me anë të teknikave të kompresimit të tufës dhe konizimit pas ngopjes. Në diapazonin e butë të rrezeve X (rreth 0.1 nm deri në 10 nm gjatësi vale), FEL zbatohet me anë të teknologjisë së prerjes së freskët në kaskadë. Kohët e fundit, pulset atosekondëshe me një fuqi maksimale prej 100 GW janë raportuar të gjenerohen duke përdorur metodën e emetimit spontan të vetë-amplifikuar të përmirësuar (ESASE).
Ekipi i kërkimit përdori një sistem amplifikimi me dy faza të bazuar në XFEL për të amplifikuar daljen e pulsit të butë atosekondok me rreze X nga sistemi koherent linak.burim dritenë nivelin TW, një përmirësim i rendit të madhësisë mbi rezultatet e raportuara. Konfigurimi eksperimental tregohet në Figurën 1. Bazuar në metodën ESASE, emetuesi i fotokatodës modulohet për të marrë një rreze elektronike me një majë të lartë rryme dhe përdoret për të gjeneruar impulse rrezesh X atosekondëshe. Impulsi fillestar ndodhet në skajin e përparmë të majës së rrezes elektronike, siç tregohet në këndin e sipërm të majtë të Figurës 1. Kur XFEL arrin ngopjen, rrezja e elektroneve vonohet në krahasim me rrezet X nga një kompresor magnetik dhe më pas impulsi bashkëvepron me rrezen e elektroneve (fetë e freskët) që nuk modifikohet nga modulimi ESASE ose lazeri FEL. Së fundmi, një undulator i dytë magnetik përdoret për të amplifikuar më tej rrezet X përmes bashkëveprimit të impulseve atosekondëshe me fetën e freskët.
FIG. 1 Diagrama e pajisjes eksperimentale; Ilustrimi tregon hapësirën gjatësore të fazës (diagrama kohë-energji e elektronit, jeshile), profilin e rrymës (blu) dhe rrezatimin e prodhuar nga amplifikimi i rendit të parë (vjollcë). XTCAV, zgavra tërthore e bandës X; cVMI, sistem imazherie me hartëzim të shpejtë koaksial; FZP, spektrometër pllake me bandë Fresnel
Të gjitha pulset e atosekondës ndërtohen nga zhurma, kështu që secili puls ka veti të ndryshme spektrale dhe në domenin kohor, të cilat studiuesit i eksploruan më në detaje. Sa i përket spektrave, ata përdorën një spektrometër me pllakë bandash Fresnel për të matur spektrat e pulseve individuale në gjatësi të ndryshme ekuivalente të undulatorëve, dhe zbuluan se këto spektra ruanin forma valore të lëmuara edhe pas amplifikimit sekondar, duke treguar se pulset mbetën unimodale. Në domenin kohor, matet skaji këndor dhe karakterizohet forma valore e domenit kohor të pulsit. Siç tregohet në Figurën 1, pulsi i rrezeve X mbivendoset me pulsin e lazerit infra të kuq të polarizuar në mënyrë rrethore. Fotoelektronet e jonizuara nga pulsi i rrezeve X do të prodhojnë vija në drejtim të kundërt me potencialin vektorial të lazerit infra të kuq. Për shkak se fusha elektrike e lazerit rrotullohet me kalimin e kohës, shpërndarja e momentit të fotoelektronit përcaktohet nga koha e emetimit të elektroneve, dhe vendoset marrëdhënia midis mënyrës këndore të kohës së emetimit dhe shpërndarjes së momentit të fotoelektronit. Shpërndarja e momentit të fotoelektronit matet duke përdorur një spektrometër imazherie me hartëzim të shpejtë koaksial. Bazuar në shpërndarjen dhe rezultatet spektrale, forma e valës në domenin kohor të pulseve të atosekondës mund të rindërtohet. Figura 2 (a) tregon shpërndarjen e kohëzgjatjes së pulsit, me një mesatare prej 440 as. Së fundmi, detektori i monitorimit të gazit u përdor për të matur energjinë e pulsit dhe u llogarit grafiku i shpërndarjes midis fuqisë maksimale të pulsit dhe kohëzgjatjes së pulsit siç tregohet në Figurën 2 (b). Të tre konfigurimet korrespondojnë me kushte të ndryshme të fokusimit të rrezes së elektroneve, kushteve të konimit të valëzuar dhe kushteve të vonesës së kompresorit magnetik. Të tre konfigurimet dhanë energji mesatare të pulsit prej 150, 200 dhe 260 µJ, përkatësisht, me një fuqi maksimale maksimale prej 1.1 TW.
Figura 2. (a) Histograma e shpërndarjes së kohëzgjatjes së pulsit me gjysmë lartësi dhe gjerësi të plotë (FWHM); (b) Grafiku i shpërndarjes që korrespondon me fuqinë maksimale dhe kohëzgjatjen e pulsit
Përveç kësaj, studimi vëzhgoi për herë të parë fenomenin e superemisionit të ngjashëm me solitonin në brezin e rrezeve X, i cili shfaqet si një shkurtim i vazhdueshëm i pulsit gjatë amplifikimit. Ai shkaktohet nga një bashkëveprim i fortë midis elektroneve dhe rrezatimit, me energji që transferohet me shpejtësi nga elektroni në kokën e pulsit të rrezeve X dhe përsëri te elektroni nga bishti i pulsit. Përmes një studimi të thelluar të këtij fenomeni, pritet që pulset e rrezeve X me kohëzgjatje më të shkurtër dhe fuqi maksimale më të lartë mund të realizohen më tej duke zgjeruar procesin e amplifikimit të superrrezatimit dhe duke përfituar nga shkurtimi i pulsit në modalitetin e ngjashëm me solitonin.
Koha e postimit: 27 maj 2024