เลเซอร์พัลส์เอ็กซ์เรย์ระดับ TW คลาส attosecond
เอ็กซ์เรย์แอตโตวินาทีเลเซอร์พัลส์ด้วยกำลังสูงและระยะเวลาพัลส์สั้นเป็นกุญแจสำคัญเพื่อให้ได้สเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นที่รวดเร็วเป็นพิเศษและการถ่ายภาพการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ ทีมวิจัยในสหรัฐอเมริกาใช้น้ำตกแบบสองขั้นตอนเลเซอร์อิเล็กตรอนปลอดรังสีเอ็กซ์เพื่อส่งออกพัลส์แอตโตวินาทีแบบไม่ต่อเนื่อง เมื่อเปรียบเทียบกับรายงานที่มีอยู่ กำลังเฉลี่ยสูงสุดของพัลส์จะเพิ่มขึ้นตามลำดับความสำคัญ กำลังไฟฟ้าสูงสุดสูงสุดคือ 1.1 TW และพลังงานเฉลี่ยมากกว่า 100 μJ การศึกษานี้ยังให้หลักฐานที่ชัดเจนเกี่ยวกับพฤติกรรมการแผ่รังสีเหนือชั้นคล้ายโซลิตันในเขตรังสีเอกซ์เลเซอร์พลังงานสูงได้ขับเคลื่อนการวิจัยใหม่ๆ มากมาย รวมถึงฟิสิกส์สนามสูง สเปกโทรสโกปีแอตโตวินาที และเครื่องเร่งอนุภาคเลเซอร์ ในบรรดาเลเซอร์ทุกประเภท การเอ็กซเรย์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการวินิจฉัยทางการแพทย์ การตรวจจับข้อบกพร่องทางอุตสาหกรรม การตรวจสอบความปลอดภัย และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์ (XFEL) สามารถเพิ่มกำลังรังสีเอกซ์สูงสุดได้หลายขนาดเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการสร้างรังสีเอกซ์อื่นๆ ซึ่งช่วยขยายการประยุกต์ใช้รังสีเอกซ์ไปสู่สนามสเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นและ การถ่ายภาพการเลี้ยวเบนของอนุภาคที่ต้องการพลังงานสูง XFEL ของรังสีเอกซ์ที่ประสบความสำเร็จเมื่อเร็วๆ นี้ถือเป็นความสำเร็จครั้งสำคัญในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของรังสีเอกซ์ โดยเพิ่มกำลังสูงสุดที่มีอยู่ได้มากกว่า 6 ลำดับความสำคัญ เมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์แบบตั้งโต๊ะ
เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระสามารถรับพลังงานพัลส์ที่มีขนาดสูงกว่าระดับการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองได้หลายระดับโดยใช้ความไม่เสถียรโดยรวม ซึ่งมีสาเหตุมาจากอันตรกิริยาอย่างต่อเนื่องของสนามรังสีในลำอิเล็กตรอนเชิงสัมพันธ์และออสซิลเลเตอร์แม่เหล็ก ในช่วงการเอ็กซเรย์อย่างหนัก (ความยาวคลื่นประมาณ 0.01 นาโนเมตรถึง 0.1 นาโนเมตร) FEL สามารถทำได้โดยการบีบอัดมัดรวมและเทคนิคการคอนนิ่งหลังอิ่มตัว ในช่วงรังสีเอกซ์แบบอ่อน (ความยาวคลื่นประมาณ 0.1 นาโนเมตรถึง 10 นาโนเมตร) FEL จะถูกนำมาใช้โดยเทคโนโลยี Cascade Fresh-Slice เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีการรายงานพัลส์ attosecond ที่มีกำลังสูงสุด 100 GW โดยใช้วิธีการปล่อยก๊าซธรรมชาติแบบขยายตัวเอง (ESASE) ที่ปรับปรุงแล้ว
ทีมวิจัยใช้ระบบขยายสัญญาณแบบสองขั้นตอนโดยใช้ XFEL เพื่อขยายเอาต์พุตพัลส์เอกซ์เรย์แบบ attosecond แบบอ่อนจากเส้นเชื่อมโยง Linacแหล่งกำเนิดแสงถึงระดับ TW ซึ่งเป็นลำดับความสำคัญของการปรับปรุงมากกว่าผลลัพธ์ที่รายงาน การตั้งค่าการทดลองจะแสดงในรูปที่ 1 ตามวิธี ESASE ตัวปล่อยโฟโตแคโทดจะถูกมอดูเลตเพื่อให้ได้ลำอิเล็กตรอนที่มีกระแสพุ่งสูง และใช้เพื่อสร้างพัลส์รังสีเอกซ์ในระดับ attosecond พัลส์เริ่มต้นตั้งอยู่ที่ขอบด้านหน้าของเดือยแหลมของลำอิเล็กตรอน ดังที่แสดงในมุมซ้ายบนของรูปที่ 1 เมื่อ XFEL ถึงความอิ่มตัว ลำอิเล็กตรอนจะล่าช้าเมื่อเทียบกับรังสีเอกซ์โดยคอมเพรสเซอร์แม่เหล็ก จากนั้นพัลส์จะโต้ตอบกับลำแสงอิเล็กตรอน (ชิ้นสด) ที่ไม่ได้ถูกแก้ไขโดยการมอดูเลต ESASE หรือเลเซอร์ FEL ในที่สุด คลื่นแม่เหล็กอันที่สองจะถูกนำมาใช้เพื่อขยายรังสีเอกซ์เพิ่มเติมโดยอาศัยอันตรกิริยาของพัลส์เอตโตวินาทีกับชิ้นสด
มะเดื่อ. 1 แผนภาพอุปกรณ์ทดลอง ภาพประกอบแสดงสเปซเฟสตามยาว (แผนภาพพลังงานเวลาของอิเล็กตรอน สีเขียว) โปรไฟล์ปัจจุบัน (สีน้ำเงิน) และการแผ่รังสีที่เกิดจากการขยายสัญญาณลำดับที่หนึ่ง (สีม่วง) XTCAV, ช่องขวาง X-band; cVMI, ระบบสร้างภาพการทำแผนที่โคแอกเซียลอย่างรวดเร็ว; FZP สเปกโตรมิเตอร์เพลตวงเฟรสเนล
พัลส์แอตโตวินาทีทั้งหมดสร้างขึ้นจากสัญญาณรบกวน ดังนั้นแต่ละพัลส์จึงมีคุณสมบัติสเปกตรัมและโดเมนเวลาที่แตกต่างกัน ซึ่งนักวิจัยได้สำรวจโดยละเอียดมากขึ้น ในแง่ของสเปกตรัม พวกเขาใช้สเปกโตรมิเตอร์แบบเพลตความถี่เฟรสเนลเพื่อวัดสเปกตรัมของพัลส์แต่ละตัวที่ความยาวอันดูเลเตอร์ที่เท่ากันและพบว่าสเปกตรัมเหล่านี้รักษารูปคลื่นที่ราบรื่นแม้หลังจากการขยายสัญญาณขั้นที่สอง ซึ่งบ่งชี้ว่าพัลส์ยังคงเป็นแบบยูนิโมดัล ในโดเมนเวลา ขอบเชิงมุมจะถูกวัดและแสดงลักษณะเฉพาะของรูปคลื่นของโดเมนเวลาของพัลส์ ดังแสดงในรูปที่ 1 พัลส์รังสีเอกซ์ซ้อนทับกับพัลส์เลเซอร์อินฟราเรดโพลาไรซ์แบบวงกลม โฟโตอิเล็กตรอนที่แตกตัวเป็นไอออนโดยพัลส์รังสีเอกซ์จะสร้างเส้นในทิศทางตรงกันข้ามกับศักย์เวกเตอร์ของเลเซอร์อินฟราเรด เนื่องจากสนามไฟฟ้าของเลเซอร์หมุนตามเวลา การกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนจึงถูกกำหนดตามเวลาที่อิเล็กตรอนปล่อยออกมา และความสัมพันธ์ระหว่างโหมดเชิงมุมของเวลาที่ปล่อยออกมาและการกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนจึงถูกสร้างขึ้น การกระจายตัวของโมเมนตัมโฟโตอิเล็กตรอนวัดโดยใช้สเปกโตรมิเตอร์การถ่ายภาพแบบโคแอกเชียลแมปปิ้งเร็ว ขึ้นอยู่กับการกระจายและผลลัพธ์ทางสเปกตรัม สามารถสร้างรูปคลื่นโดเมนเวลาของพัลส์แอตโตวินาทีได้ รูปที่ 2 (a) แสดงการกระจายตัวของระยะเวลาพัลส์ โดยมีค่ามัธยฐาน 440 เป็น ในที่สุด เครื่องตรวจจับก๊าซถูกใช้เพื่อวัดพลังงานพัลส์ และคำนวณพล็อตกระจายระหว่างกำลังพัลส์สูงสุดและระยะเวลาพัลส์ดังแสดงในรูปที่ 2 (b) การกำหนดค่าทั้งสามนี้สอดคล้องกับเงื่อนไขการโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอน เงื่อนไขกรวยเวเวอร์ และเงื่อนไขความล่าช้าของคอมเพรสเซอร์แม่เหล็ก การกำหนดค่าทั้งสามนี้ให้พลังงานพัลส์เฉลี่ย 150, 200 และ 260 µJ ตามลำดับ โดยมีกำลังสูงสุดสูงสุด 1.1 TW
รูปที่ 2 (a) ฮิสโตแกรมการกระจายของระยะเวลาพัลส์แบบเต็มความกว้างครึ่งความสูง (FWHM) (b) พล็อตกระจายที่สอดคล้องกับกำลังสูงสุดและระยะเวลาพัลส์
นอกจากนี้ การศึกษายังพบเป็นครั้งแรกที่ปรากฏการณ์การปล่อยสารคล้ายโซลิตันในแถบรังสีเอกซ์ ซึ่งปรากฏเป็นพัลส์ที่สั้นลงอย่างต่อเนื่องในระหว่างการขยายสัญญาณ มีสาเหตุมาจากปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างอิเล็กตรอนกับการแผ่รังสี โดยพลังงานถ่ายโอนอย่างรวดเร็วจากอิเล็กตรอนไปยังส่วนหัวของพัลส์รังสีเอกซ์ และกลับไปยังอิเล็กตรอนจากหางของพัลส์ จากการศึกษาเชิงลึกของปรากฏการณ์นี้ คาดว่าพัลส์รังสีเอกซ์ที่มีระยะเวลาสั้นกว่าและกำลังพีคที่สูงกว่าสามารถเกิดขึ้นได้อีก โดยการขยายกระบวนการขยายรังสีเหนือชั้น และใช้ประโยชน์จากการทำให้พัลส์สั้นลงในโหมดคล้ายโซลิตัน
เวลาโพสต์: 27 พฤษภาคม-2024