เลเซอร์พัลส์เอ็กซ์เรย์แบบแอตโตวินาทีคลาส TW

เลเซอร์พัลส์เอ็กซ์เรย์แบบแอตโตวินาทีคลาส TW
รังสีเอกซ์แอตโตวินาทีเลเซอร์พัลส์ด้วยกำลังสูงและระยะเวลาพัลส์สั้น เป็นกุญแจสำคัญในการสร้างภาพสเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นความเร็วสูงพิเศษและการถ่ายภาพการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ทีมวิจัยในสหรัฐอเมริกาใช้เทคนิคแบบเรียงซ้อนสองขั้นตอนเลเซอร์อิเล็กตรอนแบบไร้รังสีเอกซ์เพื่อส่งออกพัลส์อัตโตวินาทีแบบแยกส่วน เมื่อเทียบกับรายงานที่มีอยู่ กำลังสูงสุดเฉลี่ยของพัลส์เพิ่มขึ้นหนึ่งลำดับความสำคัญ กำลังสูงสุดอยู่ที่ 1.1 TW และพลังงานมัธยฐานมากกว่า 100 μJ การศึกษานี้ยังให้หลักฐานที่ชัดเจนเกี่ยวกับพฤติกรรมการแผ่รังสีแบบซูเปอร์เรเดียชันคล้ายโซลิตอนในสนามรังสีเอกซ์เลเซอร์พลังงานสูงได้ผลักดันให้เกิดงานวิจัยใหม่ๆ มากมาย รวมถึงฟิสิกส์สนามสูง สเปกโทรสโกปีแบบแอตโตวินาที และเครื่องเร่งอนุภาคด้วยเลเซอร์ ในบรรดาเลเซอร์ทุกประเภท รังสีเอกซ์ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการวินิจฉัยทางการแพทย์ การตรวจจับข้อบกพร่องในอุตสาหกรรม การตรวจสอบความปลอดภัย และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอกซ์ (XFEL) สามารถเพิ่มกำลังสูงสุดของรังสีเอกซ์ได้หลายลำดับความสำคัญเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการสร้างรังสีเอกซ์อื่นๆ จึงขยายการประยุกต์ใช้รังสีเอกซ์ไปยังสาขาสเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นและการถ่ายภาพการเลี้ยวเบนของอนุภาคเดี่ยวที่ต้องการกำลังสูง ความสำเร็จล่าสุดของ XFEL แบบแอตโตวินาทีนี้ถือเป็นความสำเร็จครั้งสำคัญในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแบบแอตโตวินาที โดยเพิ่มกำลังสูงสุดที่มีอยู่ได้มากกว่าหกลำดับความสำคัญเมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์แบบตั้งโต๊ะ

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระสามารถรับพลังงานพัลส์ที่สูงกว่าระดับการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองได้หลายลำดับความสำคัญ โดยใช้ความไม่เสถียรแบบรวม ซึ่งเกิดจากปฏิสัมพันธ์อย่างต่อเนื่องของสนามรังสีในลำแสงอิเล็กตรอนเชิงสัมพัทธภาพและออสซิลเลเตอร์แม่เหล็ก ในช่วงรังสีเอกซ์แข็ง (ความยาวคลื่นประมาณ 0.01 นาโนเมตร ถึง 0.1 นาโนเมตร) FEL ทำได้โดยการบีบอัดแบบมัดรวมและเทคนิคการทำกรวยหลังอิ่มตัว ในช่วงรังสีเอกซ์อ่อน (ความยาวคลื่นประมาณ 0.1 นาโนเมตร ถึง 10 นาโนเมตร) FEL ทำได้โดยเทคโนโลยี Cascade Fresh-Slice เมื่อเร็วๆ นี้ มีรายงานว่าสามารถสร้างพัลส์อัตโตวินาทีที่มีกำลังสูงสุด 100 กิกะวัตต์ โดยใช้วิธีการ Enhanced Self-Amplified Spontaneous Emission (ESASE)

ทีมวิจัยใช้ระบบขยายสัญญาณสองขั้นตอนที่ใช้ XFEL เพื่อขยายสัญญาณพัลส์แอตโตวินาทีของรังสีเอกซ์อ่อนจากเส้นใยลิแนคที่เชื่อมต่อกันแหล่งกำเนิดแสงไปถึงระดับ TW ซึ่งปรับปรุงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับผลการทดลองที่รายงานไว้ รูปที่ 1 แสดงการตั้งค่าการทดลอง โดยอาศัยวิธี ESASE ตัวปล่อยโฟโตแคโทดจะถูกปรับเพื่อให้ได้ลำแสงอิเล็กตรอนที่มีกระแสสูง และใช้เพื่อสร้างพัลส์รังสีเอกซ์แบบแอตโตวินาที พัลส์เริ่มต้นจะอยู่ที่ขอบด้านหน้าของสไปก์ของลำแสงอิเล็กตรอน ดังแสดงในมุมซ้ายบนของรูปที่ 1 เมื่อ XFEL ถึงจุดอิ่มตัว ลำแสงอิเล็กตรอนจะถูกหน่วงเวลาเมื่อเทียบกับรังสีเอกซ์โดยตัวบีบอัดแม่เหล็ก จากนั้นพัลส์จะโต้ตอบกับลำแสงอิเล็กตรอน (ส่วนตัดใหม่) ซึ่งไม่ถูกปรับเปลี่ยนโดยการมอดูเลต ESASE หรือเลเซอร์ FEL สุดท้าย จะใช้ตัวกระตุ้นแม่เหล็กตัวที่สองเพื่อขยายรังสีเอกซ์เพิ่มเติมผ่านปฏิกิริยาระหว่างพัลส์แอตโตวินาทีกับส่วนตัดใหม่

รูปที่ 1 แผนภาพอุปกรณ์ทดลอง ภาพประกอบแสดงปริภูมิเฟสตามยาว (แผนภาพเวลา-พลังงานของอิเล็กตรอน สีเขียว) โปรไฟล์กระแส (สีน้ำเงิน) และรังสีที่เกิดจากการขยายสัญญาณลำดับที่หนึ่ง (สีม่วง) XTCAV, โพรงขวางแบนด์ X; cVMI, ระบบถ่ายภาพแบบแมปปิ้งเร็วแบบโคแอกเซียล; FZP, สเปกโตรมิเตอร์แบบเพลตแบนด์เฟรสเนล

พัลส์อัตโตวินาทีทั้งหมดสร้างขึ้นจากสัญญาณรบกวน ดังนั้นแต่ละพัลส์จึงมีคุณสมบัติทางสเปกตรัมและโดเมนเวลาที่แตกต่างกัน ซึ่งนักวิจัยได้ศึกษาอย่างละเอียดมากขึ้น ในด้านสเปกตรัม พวกเขาใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์แบบแผ่นแถบเฟรสเนลเพื่อวัดสเปกตรัมของพัลส์แต่ละพัลส์ที่ความยาวคลื่นอันดูเลเตอร์ที่เทียบเท่ากัน และพบว่าสเปกตรัมเหล่านี้ยังคงรักษารูปคลื่นที่ราบรื่นแม้หลังจากการขยายสัญญาณทุติยภูมิ ซึ่งบ่งชี้ว่าพัลส์ยังคงเป็นแบบโมดัลเดียว ในโดเมนเวลา ขอบเชิงมุมจะถูกวัดและกำหนดลักษณะรูปคลื่นของโดเมนเวลาของพัลส์ ดังแสดงในรูปที่ 1 พัลส์รังสีเอกซ์ซ้อนทับกับพัลส์เลเซอร์อินฟราเรดโพลาไรซ์แบบวงกลม โฟโตอิเล็กตรอนที่ถูกทำให้เป็นไอออนโดยพัลส์รังสีเอกซ์จะสร้างเส้นริ้วในทิศทางตรงข้ามกับศักย์เวกเตอร์ของเลเซอร์อินฟราเรด เนื่องจากสนามไฟฟ้าของเลเซอร์หมุนตามเวลา การกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนจึงถูกกำหนดโดยเวลาของการแผ่รังสีอิเล็กตรอน และความสัมพันธ์ระหว่างโหมดเชิงมุมของเวลาการแผ่รังสีและการกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนจึงถูกสร้างขึ้น การกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนวัดโดยใช้สเปกโตรมิเตอร์ถ่ายภาพแบบแมปปิ้งเร็วแบบโคแอกเซียล จากผลการกระจายและสเปกตรัม สามารถสร้างรูปคลื่นโดเมนเวลาของพัลส์อัตโตวินาทีขึ้นใหม่ได้ รูปที่ 2 (a) แสดงการกระจายของระยะเวลาพัลส์ โดยมีค่ามัธยฐาน 440 นาโนวินาที สุดท้าย ใช้เครื่องตรวจจับก๊าซเพื่อวัดพลังงานพัลส์ และคำนวณกราฟกระจายระหว่างกำลังพัลส์สูงสุดและระยะเวลาพัลส์ดังแสดงในรูปที่ 2 (b) การกำหนดค่าทั้งสามสอดคล้องกับเงื่อนไขการโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอน เงื่อนไขการเวฟเวอร์โคนนิ่ง และเงื่อนไขการหน่วงเวลาของคอมเพรสเซอร์แม่เหล็กที่แตกต่างกัน การกำหนดค่าทั้งสามแบบให้พลังงานพัลส์เฉลี่ยที่ 150, 200 และ 260 µJ ตามลำดับ โดยมีพลังงานพีคสูงสุดที่ 1.1 TW

รูปที่ 2 (ก) ฮิสโทแกรมการกระจายของระยะเวลาพัลส์ครึ่งความสูงความกว้างเต็ม (FWHM); (ข) กราฟกระจายที่สอดคล้องกับกำลังสูงสุดและระยะเวลาพัลส์

นอกจากนี้ การศึกษาครั้งนี้ยังพบปรากฏการณ์ซูเปอร์อีมิสชันคล้ายโซลิตอน (soliton-like superemission) ในแถบรังสีเอกซ์เป็นครั้งแรก ซึ่งปรากฏเป็นพัลส์ช็อตอย่างต่อเนื่องระหว่างการขยายสัญญาณ ปรากฏการณ์นี้เกิดจากปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างอิเล็กตรอนและรังสี โดยพลังงานถูกถ่ายโอนอย่างรวดเร็วจากอิเล็กตรอนไปยังส่วนหัวของพัลส์รังสีเอกซ์ และกลับมายังอิเล็กตรอนจากส่วนหางของพัลส์ จากการศึกษาปรากฏการณ์นี้อย่างละเอียด คาดว่าพัลส์รังสีเอกซ์ที่มีระยะเวลาสั้นลงและมีกำลังสูงสุดสูงขึ้นจะสามารถเกิดขึ้นได้จริง โดยการขยายกระบวนการขยายสัญญาณซูเปอร์อีมิสชัน และใช้ประโยชน์จากการช็อตพัลส์ในโหมดโซลิตอน