เลเซอร์พัลส์เอ็กซ์เรย์แอตโตวินาทีคลาส TW

เลเซอร์พัลส์เอ็กซ์เรย์แอตโตวินาทีคลาส TW
รังสีเอกซ์แอตโตวินาทีเลเซอร์พัลส์พลังงานสูงและระยะเวลาพัลส์สั้นเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุสเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นความเร็วสูงพิเศษและการถ่ายภาพการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ทีมวิจัยในสหรัฐอเมริกาใช้ระบบแบบสองขั้นตอนเรียงลำดับกันเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอ็กซ์เพื่อสร้างพัลส์แอตโตวินาทีแบบแยกส่วน เมื่อเปรียบเทียบกับรายงานที่มีอยู่เดิม กำลังสูงสุดเฉลี่ยของพัลส์เพิ่มขึ้นถึงหนึ่งอันดับ กำลังสูงสุดอยู่ที่ 1.1 เทราวัตต์ และพลังงานมัธยฐานมากกว่า 100 ไมโครจูล การศึกษานี้ยังให้หลักฐานที่ชัดเจนเกี่ยวกับพฤติกรรมการแผ่รังสีซุปเปอร์เรเดียชันแบบโซลิตอนในสนามรังสีเอ็กซ์อีกด้วยเลเซอร์พลังงานสูงเทคโนโลยีเหล่านี้ได้ผลักดันให้เกิดการวิจัยในหลายสาขาใหม่ๆ รวมถึงฟิสิกส์สนามสูง สเปกโทรสโกปีระดับแอตโตวินาที และเครื่องเร่งอนุภาคด้วยเลเซอร์ ในบรรดาเลเซอร์ทุกชนิด รังสีเอ็กซ์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการวินิจฉัยทางการแพทย์ การตรวจจับข้อบกพร่องทางอุตสาหกรรม การตรวจสอบความปลอดภัย และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอ็กซ์ (XFEL) สามารถเพิ่มกำลังสูงสุดของรังสีเอ็กซ์ได้หลายลำดับความ magnitud เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการสร้างรังสีเอ็กซ์อื่นๆ จึงขยายการประยุกต์ใช้รังสีเอ็กซ์ไปยังสาขาสเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นและการถ่ายภาพการเลี้ยวเบนของอนุภาคเดี่ยว ซึ่งต้องการกำลังสูง ความสำเร็จล่าสุดของ XFEL ระดับแอตโตวินาทีเป็นความสำเร็จครั้งสำคัญในวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับแอตโตวินาที โดยเพิ่มกำลังสูงสุดที่มีอยู่มากกว่าหกลำดับความ magnitud เมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์แบบตั้งโต๊ะ

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระสามารถสร้างพลังงานพัลส์ที่สูงกว่าระดับการปล่อยรังสีแบบธรรมชาติได้หลายลำดับความ magnitud โดยใช้ความไม่เสถียรแบบรวมกลุ่ม ซึ่งเกิดจากการปฏิสัมพันธ์อย่างต่อเนื่องของสนามรังสีในลำอิเล็กตรอนเชิงสัมพัทธภาพและออสซิเลเตอร์แม่เหล็ก ในช่วงรังสีเอ็กซ์แข็ง (ความยาวคลื่นประมาณ 0.01 นาโนเมตรถึง 0.1 นาโนเมตร) สามารถสร้าง FEL ได้โดยการบีบอัดกลุ่มลำแสงและการสร้างกรวยหลังการอิ่มตัว ในช่วงรังสีเอ็กซ์อ่อน (ความยาวคลื่นประมาณ 0.1 นาโนเมตรถึง 10 นาโนเมตร) สามารถสร้าง FEL ได้โดยใช้เทคโนโลยีการตัดแบบสดใหม่แบบเรียงลำดับ เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีรายงานการสร้างพัลส์แอตโตวินาทีที่มีกำลังสูงสุด 100 กิกะวัตต์โดยใช้วิธีการปล่อยรังสีแบบธรรมชาติที่ขยายตัวเองอย่างมีประสิทธิภาพ (ESASE)

ทีมวิจัยใช้ระบบขยายสัญญาณสองขั้นตอนโดยอาศัย XFEL เพื่อขยายสัญญาณพัลส์อะโตวินาทีของรังสีเอ็กซ์อ่อนที่ส่งออกมาจากเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นแบบโคherentแหล่งกำเนิดแสงไปสู่ระดับ TW ซึ่งเป็นการปรับปรุงที่ดีขึ้นกว่าผลลัพธ์ที่รายงานไว้หลายเท่าตัว การจัดตั้งอุปกรณ์ทดลองแสดงในรูปที่ 1 โดยอาศัยวิธีการ ESASE ตัวปล่อยโฟโตแคโทดจะถูกปรับเปลี่ยนเพื่อให้ได้ลำอิเล็กตรอนที่มีกระแสพุ่งสูง และใช้ในการสร้างพัลส์เอ็กซ์เรย์ระดับแอตโตวินาที พัลส์เริ่มต้นอยู่ที่ขอบด้านหน้าของกระแสพุ่งของลำอิเล็กตรอน ดังแสดงในมุมบนซ้ายของรูปที่ 1 เมื่อ XFEL ถึงจุดอิ่มตัว ลำอิเล็กตรอนจะถูกหน่วงเวลาเมื่อเทียบกับเอ็กซ์เรย์โดยตัวบีบอัดแม่เหล็ก จากนั้นพัลส์จะทำปฏิกิริยากับลำอิเล็กตรอน (ชิ้นเนื้อใหม่) ที่ไม่ได้รับการปรับเปลี่ยนโดยการปรับเปลี่ยน ESASE หรือเลเซอร์ FEL สุดท้าย ตัวสร้างสนามแม่เหล็กตัวที่สองจะถูกใช้เพื่อขยายเอ็กซ์เรย์เพิ่มเติมผ่านปฏิกิริยาของพัลส์แอตโตวินาทีกับชิ้นเนื้อใหม่

รูปที่ 1 แผนภาพอุปกรณ์ทดลอง; ภาพประกอบแสดงพื้นที่เฟสตามแนวยาว (แผนภาพเวลา-พลังงานของอิเล็กตรอน สีเขียว) โปรไฟล์กระแส (สีน้ำเงิน) และรังสีที่เกิดจากการขยายอันดับแรก (สีม่วง) XTCAV, โพรงตามขวางย่านความถี่ X; cVMI, ระบบสร้างภาพแบบแมปปิ้งเร็วแบบโคแอกเซียล; FZP, สเปกโทรเมตรแผ่นแถบเฟรสเนล

พัลส์ระดับแอตโตวินาทีทั้งหมดสร้างขึ้นจากสัญญาณรบกวน ดังนั้นแต่ละพัลส์จึงมีคุณสมบัติทางสเปกตรัมและโดเมนเวลาที่แตกต่างกัน ซึ่งนักวิจัยได้สำรวจในรายละเอียดเพิ่มเติม ในแง่ของสเปกตรัม พวกเขาใช้สเปกโตรมิเตอร์แบบแผ่นแถบเฟรสเนลเพื่อวัดสเปกตรัมของแต่ละพัลส์ที่ความยาวอันดูเลเตอร์เทียบเท่าที่แตกต่างกัน และพบว่าสเปกตรัมเหล่านี้ยังคงรักษารูปคลื่นที่เรียบเนียนแม้หลังจากการขยายสัญญาณทุติยภูมิ ซึ่งบ่งชี้ว่าพัลส์ยังคงเป็นแบบโมดอลเดียว ในโดเมนเวลา จะมีการวัดแถบเชิงมุมและลักษณะเฉพาะของรูปคลื่นในโดเมนเวลาของพัลส์ ดังแสดงในรูปที่ 1 พัลส์รังสีเอกซ์จะซ้อนทับกับพัลส์เลเซอร์อินฟราเรดแบบโพลาไรซ์แบบวงกลม โฟโตอิเล็กตรอนที่ถูกไอออนไนซ์โดยพัลส์รังสีเอกซ์จะสร้างริ้วในทิศทางตรงกันข้ามกับศักย์เวกเตอร์ของเลเซอร์อินฟราเรด เนื่องจากสนามไฟฟ้าของเลเซอร์หมุนไปตามเวลา การกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนจึงถูกกำหนดโดยเวลาของการปล่อยอิเล็กตรอน และความสัมพันธ์ระหว่างโหมดเชิงมุมของเวลาการปล่อยและการกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนจึงถูกสร้างขึ้น การกระจายตัวของโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนถูกวัดโดยใช้สเปกโตรมิเตอร์แบบแมปปิ้งเร็วแบบโคแอกเซียล จากการกระจายตัวและผลลัพธ์ทางสเปกตรัม สามารถสร้างรูปคลื่นในโดเมนเวลาของพัลส์แอตโตวินาทีขึ้นใหม่ได้ รูปที่ 2 (a) แสดงการกระจายตัวของระยะเวลาพัลส์ โดยมีค่ามัธยฐานอยู่ที่ 440 แอตโตวินาที สุดท้าย ใช้เครื่องตรวจจับการตรวจสอบก๊าซเพื่อวัดพลังงานพัลส์ และคำนวณแผนภาพกระจายระหว่างกำลังสูงสุดของพัลส์และระยะเวลาพัลส์ดังแสดงในรูปที่ 2 (b) การกำหนดค่าทั้งสามแบบสอดคล้องกับเงื่อนไขการโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอน เงื่อนไขการโคนคลื่น และเงื่อนไขการหน่วงเวลาของคอมเพรสเซอร์แม่เหล็กที่แตกต่างกัน การกำหนดค่าทั้งสามแบบให้พลังงานพัลส์เฉลี่ย 150, 200 และ 260 ไมโครจูล ตามลำดับ โดยมีกำลังสูงสุด 1.1 เทราวัตต์

รูปที่ 2. (ก) ฮิสโตแกรมการกระจายของความยาวพัลส์ครึ่งความสูงและความกว้างเต็มที่ (FWHM) (ข) แผนภาพกระจายจุดที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกำลังสูงสุดและความยาวพัลส์

นอกจากนี้ การศึกษาครั้งนี้ยังสังเกตเห็นปรากฏการณ์การปล่อยรังสีเอกซ์แบบโซลิตอนในย่านรังสีเอกซ์เป็นครั้งแรก ซึ่งปรากฏเป็นการหดตัวของพัลส์อย่างต่อเนื่องในระหว่างการขยายสัญญาณ เกิดจากปฏิกิริยาที่รุนแรงระหว่างอิเล็กตรอนและรังสี โดยพลังงานจะถูกถ่ายโอนอย่างรวดเร็วจากอิเล็กตรอนไปยังส่วนหัวของพัลส์รังสีเอกซ์และกลับไปยังอิเล็กตรอนจากส่วนท้ายของพัลส์ จากการศึกษาปรากฏการณ์นี้อย่างละเอียด คาดว่าพัลส์รังสีเอกซ์ที่มีระยะเวลาสั้นลงและกำลังสูงสุดสูงขึ้นสามารถเกิดขึ้นได้ต่อไปโดยการขยายกระบวนการขยายสัญญาณรังสีเอกซ์และใช้ประโยชน์จากการหดตัวของพัลส์ในโหมดโซลิตอน