เลเซอร์พัลส์เอ็กซ์เรย์แบบแอตโตวินาทีคลาส TW
แอตโตวินาทีเอ็กซ์เรย์เลเซอร์พัลส์ด้วยกำลังสูงและระยะเวลาพัลส์สั้นเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างภาพสเปกโตรสโคปีแบบไม่เชิงเส้นที่รวดเร็วเป็นพิเศษและการถ่ายภาพการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ทีมวิจัยในสหรัฐอเมริกาใช้เทคนิคแบบเรียงซ้อนสองขั้นตอนเลเซอร์อิเล็กตรอนแบบปลอดรังสีเอกซ์เพื่อส่งออกพัลส์แบบ attosecond ที่ไม่ต่อเนื่อง เมื่อเปรียบเทียบกับรายงานที่มีอยู่ พลังงานสูงสุดเฉลี่ยของพัลส์จะเพิ่มขึ้นเป็นลำดับขนาด พลังงานสูงสุดคือ 1.1 TW และพลังงานมัธยฐานคือมากกว่า 100 μJ การศึกษาครั้งนี้ยังให้หลักฐานที่ชัดเจนสำหรับพฤติกรรมซูเปอร์เรดิเอชั่นแบบโซลิตอนในสนามรังสีเอกซ์อีกด้วยเลเซอร์พลังงานสูงได้ขับเคลื่อนสาขาการวิจัยใหม่ๆ มากมาย รวมถึงฟิสิกส์สนามสูง การสเปกโตรสโคปีแอตโตวินาที และเครื่องเร่งอนุภาคด้วยเลเซอร์ ในบรรดาเลเซอร์ทุกประเภท รังสีเอกซ์ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการวินิจฉัยทางการแพทย์ การตรวจจับข้อบกพร่องในอุตสาหกรรม การตรวจสอบความปลอดภัย และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอกซ์ (XFEL) สามารถเพิ่มพลังสูงสุดของรังสีเอกซ์ได้หลายเท่าเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการสร้างรังสีเอกซ์อื่นๆ จึงขยายการประยุกต์ใช้รังสีเอกซ์ไปสู่สาขาการสเปกโตรสโคปีแบบไม่เชิงเส้นและการถ่ายภาพการเลี้ยวเบนของอนุภาคเดี่ยวที่ต้องใช้กำลังสูง ความสำเร็จล่าสุดของ XFEL แอตโตวินาทีถือเป็นความสำเร็จครั้งสำคัญในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแอตโตวินาที โดยเพิ่มกำลังสูงสุดที่มีอยู่ได้มากกว่าหกเท่าเมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์บนโต๊ะ
เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระสามารถรับพลังงานพัลส์ที่สูงกว่าระดับการแผ่รังสีโดยธรรมชาติได้หลายเท่าโดยใช้ความไม่เสถียรแบบรวม ซึ่งเกิดจากปฏิสัมพันธ์อย่างต่อเนื่องของสนามรังสีในลำแสงอิเล็กตรอนเชิงสัมพัทธภาพและออสซิลเลเตอร์แม่เหล็ก ในช่วงรังสีเอกซ์แบบแข็ง (ความยาวคลื่นประมาณ 0.01 นาโนเมตรถึง 0.1 นาโนเมตร) FEL ทำได้โดยใช้การบีบอัดมัดและเทคนิคการกรวยหลังอิ่มตัว ในช่วงรังสีเอกซ์แบบอ่อน (ความยาวคลื่นประมาณ 0.1 นาโนเมตรถึง 10 นาโนเมตร) FEL ทำได้โดยใช้เทคโนโลยีเฟรชสไลซ์แบบคาสเคด ล่าสุด มีรายงานว่าพัลส์อัตโตวินาทีที่มีกำลังสูงสุด 100 กิกะวัตต์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคการขยายตัวเองแบบขยายขั้นสูง (ESASE)
ทีมวิจัยใช้ระบบขยายสัญญาณสองขั้นตอนโดยใช้ XFEL เพื่อขยายสัญญาณพัลส์แอตโตวินาทีของรังสีเอกซ์อ่อนจากสัญญาณเชื่อมโยงเชิงเส้นแหล่งกำเนิดแสงไปสู่ระดับ TW ซึ่งปรับปรุงดีขึ้นกว่าผลลัพธ์ที่รายงานไว้อย่างมาก การตั้งค่าการทดลองแสดงไว้ในรูปที่ 1 โดยอิงตามวิธี ESASE ตัวปล่อยโฟโตแคโทดจะถูกปรับเพื่อให้ได้ลำแสงอิเล็กตรอนที่มีกระแสสูง และใช้เพื่อสร้างพัลส์เอกซ์เรย์อัตโตวินาที พัลส์เริ่มต้นจะอยู่ที่ขอบด้านหน้าของสไปค์ของลำแสงอิเล็กตรอน ดังที่แสดงในมุมซ้ายบนของรูปที่ 1 เมื่อ XFEL ถึงระดับอิ่มตัว ลำแสงอิเล็กตรอนจะล่าช้าเมื่อเทียบกับรังสีเอกซ์โดยคอมเพรสเซอร์แม่เหล็ก จากนั้นพัลส์จะโต้ตอบกับลำแสงอิเล็กตรอน (สไลซ์สด) ที่ไม่ได้รับการแก้ไขโดยการปรับ ESASE หรือเลเซอร์ FEL ในที่สุด จะใช้อันดูเลเตอร์แม่เหล็กตัวที่สองเพื่อขยายรังสีเอกซ์เพิ่มเติมผ่านการโต้ตอบของพัลส์อัตโตวินาทีกับสไลซ์สด
รูปที่ 1 แผนภาพอุปกรณ์ทดลอง ภาพประกอบแสดงพื้นที่เฟสตามยาว (แผนภาพเวลา-พลังงานของอิเล็กตรอน สีเขียว) โปรไฟล์กระแส (สีน้ำเงิน) และรังสีที่เกิดจากการขยายลำดับที่หนึ่ง (สีม่วง) XTCAV โพรงขวางแบนด์ X; cVMI ระบบถ่ายภาพการทำแผนที่อย่างรวดเร็วแบบโคแอกเซียล; FZP สเปกโตรมิเตอร์แบบเพลตแบนด์เฟรสเนล
พัลส์อัตโตวินาทีทั้งหมดถูกสร้างขึ้นจากสัญญาณรบกวน ดังนั้นพัลส์แต่ละพัลส์จึงมีคุณสมบัติของสเปกตรัมและโดเมนเวลาที่แตกต่างกัน ซึ่งนักวิจัยได้ศึกษารายละเอียดเพิ่มเติม ในแง่ของสเปกตรัม พวกเขาใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์แบบเพลทแถบเฟรสเนลเพื่อวัดสเปกตรัมของพัลส์แต่ละพัลส์ที่ความยาวคลื่นอันดูเลเตอร์ที่เทียบเท่ากัน และพบว่าสเปกตรัมเหล่านี้ยังคงรักษารูปคลื่นที่ราบรื่นแม้หลังจากการขยายสัญญาณทุติยภูมิ ซึ่งบ่งชี้ว่าพัลส์ยังคงเป็นแบบโมดอลเดียว ในโดเมนเวลา ขอบเชิงมุมจะถูกวัดและกำหนดลักษณะรูปคลื่นของโดเมนเวลาของพัลส์ ดังที่แสดงในรูปที่ 1 พัลส์รังสีเอกซ์จะทับซ้อนกับพัลส์เลเซอร์อินฟราเรดโพลาไรซ์แบบวงกลม โฟโตอิเล็กตรอนที่แตกตัวเป็นไอออนโดยพัลส์รังสีเอกซ์จะสร้างเส้นริ้วในทิศทางตรงข้ามกับศักย์เวกเตอร์ของเลเซอร์อินฟราเรด เนื่องจากสนามไฟฟ้าของเลเซอร์หมุนตามเวลา การกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนจึงถูกกำหนดโดยเวลาของการปล่อยอิเล็กตรอน และความสัมพันธ์ระหว่างโหมดเชิงมุมของเวลาการปล่อยและการกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนได้รับการสร้างขึ้น การกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนถูกวัดโดยใช้สเปกโตรมิเตอร์สร้างภาพแบบแมปเร็วแบบโคแอกเซียล จากการกระจายและผลลัพธ์สเปกตรัม สามารถสร้างรูปคลื่นโดเมนเวลาของพัลส์อัตโตวินาทีขึ้นใหม่ได้ รูปที่ 2 (ก) แสดงการกระจายของระยะเวลาของพัลส์ โดยมีค่ามัธยฐานที่ 440 นาโนวินาที ในที่สุด เครื่องตรวจจับก๊าซจะถูกใช้เพื่อวัดพลังงานของพัลส์ และกราฟการกระจายระหว่างพลังงานของพัลส์พีคและระยะเวลาของพัลส์ตามที่แสดงในรูปที่ 2 (ข) ได้รับการคำนวณ การกำหนดค่าทั้งสามนี้สอดคล้องกับเงื่อนไขการโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอน เงื่อนไขการเวฟเวอร์โคน และเงื่อนไขการหน่วงเวลาของคอมเพรสเซอร์แม่เหล็กที่แตกต่างกัน การกำหนดค่าทั้งสามนี้ให้พลังงานพัลส์เฉลี่ยที่ 150, 200 และ 260 µJ ตามลำดับ โดยมีพลังงานพีคสูงสุดที่ 1.1 TW
รูปที่ 2 (ก) ฮิสโทแกรมการกระจายของระยะเวลาพัลส์ครึ่งความสูงความกว้างเต็ม (FWHM) (ข) กราฟแบบกระจายที่สอดคล้องกับกำลังสูงสุดและระยะเวลาของพัลส์
นอกจากนี้ การศึกษาครั้งนี้ยังพบปรากฏการณ์ซูเปอร์อีมิสชันคล้ายโซลิตอนในแถบรังสีเอกซ์เป็นครั้งแรก ซึ่งปรากฏเป็นพัลส์ที่สั้นลงอย่างต่อเนื่องระหว่างการขยายสัญญาณ ปรากฏการณ์นี้เกิดจากปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างอิเล็กตรอนและรังสี โดยพลังงานถูกถ่ายโอนอย่างรวดเร็วจากอิเล็กตรอนไปยังส่วนหัวของพัลส์รังสีเอกซ์และกลับมายังอิเล็กตรอนจากส่วนหางของพัลส์ จากการศึกษาปรากฏการณ์นี้ในเชิงลึก คาดว่าพัลส์รังสีเอกซ์ที่มีระยะเวลาสั้นลงและกำลังพีคที่สูงกว่าจะเกิดขึ้นได้ต่อไปโดยขยายกระบวนการขยายซูเปอร์อีมิสชันและใช้ประโยชน์จากการสั้นลงของพัลส์ในโหมดคล้ายโซลิตอน
เวลาโพสต์ : 27 พ.ค. 2567