لیزر پالسی اشعه ایکس آتوثانیه کلاس TW

لیزر پالسی اشعه ایکس آتوثانیه کلاس TW
اشعه ایکس آتوثانیهلیزر پالسبا توان بالا و مدت زمان پالس کوتاه، کلید دستیابی به طیف‌سنجی غیرخطی فوق سریع و تصویربرداری پراش اشعه ایکس است. تیم تحقیقاتی در ایالات متحده از یک آبشار دو مرحله ای استفاده کردندلیزرهای الکترون آزاد اشعه ایکسبرای خروجی پالس های آتوثانیه ای گسسته. در مقایسه با گزارش‌های موجود، میانگین پیک توان پالس‌ها با یک مرتبه بزرگی افزایش می‌یابد، حداکثر توان پیک 1.1 TW و انرژی میانه بیش از 100 میکروژول است. این مطالعه همچنین شواهد قوی برای رفتار ابرتابشی شبه سولیتون در میدان اشعه ایکس ارائه می‌کند.لیزرهای پر انرژیبسیاری از زمینه‌های تحقیقاتی جدید از جمله فیزیک میدان بالا، طیف‌سنجی آتوثانیه و شتاب‌دهنده‌های ذرات لیزری را هدایت کرده‌اند. در میان انواع لیزرها، اشعه ایکس به طور گسترده در تشخیص پزشکی، تشخیص عیب صنعتی، بازرسی ایمنی و تحقیقات علمی استفاده می شود. لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس (XFEL) می‌تواند اوج قدرت پرتو ایکس را در مقایسه با سایر فناوری‌های تولید اشعه ایکس چندین مرتبه افزایش دهد، بنابراین کاربرد پرتوهای ایکس را در زمینه طیف‌سنجی غیرخطی و تک‌سنجی گسترش می‌دهد. تصویربرداری پراش ذرات در جایی که به توان بالا نیاز است. آتوثانیه XFEL موفق اخیر یک دستاورد بزرگ در علم و فناوری آتوثانیه است که قدرت پیک موجود را بیش از شش مرتبه در مقایسه با منابع پرتو ایکس رومیزی افزایش می‌دهد.

لیزرهای الکترون آزادبا استفاده از ناپایداری جمعی، که ناشی از برهمکنش پیوسته میدان تابش در پرتو الکترونی نسبیتی و نوسانگر مغناطیسی است، می‌تواند انرژی‌های پالسی بسیار بالاتری از سطح گسیل خود به خودی به دست آورد. در محدوده سخت پرتو ایکس (حدود 0.01 نانومتر تا 0.1 نانومتر طول موج)، FEL با فشرده‌سازی بسته‌ای و تکنیک‌های مخروطی پس از اشباع به دست می‌آید. در محدوده نرم اشعه ایکس (حدود 0.1 نانومتر تا 10 نانومتر طول موج)، FEL توسط فناوری برش تازه آبشاری پیاده‌سازی می‌شود. اخیراً، پالس‌های آتوثانیه‌ای با حداکثر توان 100 گیگاوات گزارش شده‌اند که با استفاده از روش انتشار خودبه‌خود تقویت‌شده (ESASE) تولید می‌شوند.

تیم تحقیقاتی از یک سیستم تقویت دو مرحله ای مبتنی بر XFEL برای تقویت خروجی پالس آتوثانیه اشعه ایکس نرم از منسجم خطی استفاده کرد.منبع نوربه سطح TW، یک مرتبه بهبود نسبت به نتایج گزارش شده. تنظیم آزمایشی در شکل 1 نشان داده شده است. بر اساس روش ESASE، تابشگر فوتوکاتد برای به دست آوردن یک پرتو الکترونی با سنبله جریان بالا مدوله شده است و برای تولید پالس های پرتو ایکس آتوثانیه استفاده می شود. پالس اولیه در لبه جلوی سنبله پرتو الکترونی قرار دارد، همانطور که در گوشه سمت چپ بالای شکل 1 نشان داده شده است. و سپس پالس با پرتو الکترونی (برش تازه) که توسط مدولاسیون ESASE یا لیزر FEL اصلاح نشده است، تعامل می کند. در نهایت، یک موج‌گیر مغناطیسی دوم برای تقویت بیشتر پرتوهای ایکس از طریق تعامل پالس‌های آتوثانیه با برش تازه استفاده می‌شود.

شکل 1 نمودار دستگاه آزمایشی. تصویر فضای فاز طولی (نمودار انرژی زمان-انرژی الکترون، سبز)، مشخصات جریان (آبی) و تابش تولید شده توسط تقویت مرتبه اول (بنفش) را نشان می دهد. XTCAV، حفره عرضی باند X. cVMI، سیستم تصویربرداری نقشه برداری سریع کواکسیال؛ FZP، طیف سنج صفحه نواری فرنل

تمام پالس‌های آتوثانیه از نویز ساخته می‌شوند، بنابراین هر پالس دارای ویژگی‌های طیفی و حوزه زمانی متفاوتی است که محققان با جزئیات بیشتری به بررسی آن پرداختند. از نظر طیف، آنها از یک طیف‌سنج صفحه نواری فرنل برای اندازه‌گیری طیف پالس‌های منفرد در طول‌های موج‌دار معادل مختلف استفاده کردند و دریافتند که این طیف‌ها حتی پس از تقویت ثانویه، شکل موج‌های صاف را حفظ می‌کنند، که نشان می‌دهد پالس‌ها یک‌وجه باقی می‌مانند. در حوزه زمان، حاشیه زاویه ای اندازه گیری می شود و شکل موج دامنه زمانی پالس مشخص می شود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، پالس اشعه ایکس با پالس لیزر مادون قرمز قطبی دایره ای همپوشانی دارد. فوتوالکترون های یونیزه شده توسط پالس اشعه ایکس رگه هایی را در جهت مخالف پتانسیل برداری لیزر مادون قرمز ایجاد می کنند. از آنجایی که میدان الکتریکی لیزر با زمان می چرخد، توزیع تکانه فوتوالکترون با زمان انتشار الکترون تعیین می شود و رابطه بین حالت زاویه ای زمان انتشار و توزیع تکانه فوتوالکترون برقرار می شود. توزیع تکانه فوتوالکترون با استفاده از یک طیف سنج تصویربرداری نقشه برداری سریع کواکسیال اندازه گیری می شود. بر اساس توزیع و نتایج طیفی، شکل موج دامنه زمان پالس های آتوثانیه را می توان بازسازی کرد. شکل 2 (الف) توزیع طول مدت پالس را با میانه 440 نشان می دهد. در نهایت، آشکارساز نظارت بر گاز برای اندازه گیری انرژی پالس استفاده شد و نمودار پراکندگی بین پیک توان پالس و مدت زمان پالس همانطور که در شکل 2 (ب) نشان داده شده است، محاسبه شد. این سه پیکربندی با شرایط مختلف تمرکز پرتو الکترونی، شرایط مخروطی موج و شرایط تاخیر کمپرسور مغناطیسی مطابقت دارند. این سه پیکربندی به ترتیب انرژی پالس متوسط ​​150، 200 و 260 میکروژول را با حداکثر توان حداکثر 1.1 TW تولید کردند.

شکل 2. (الف) هیستوگرام توزیع طول مدت پالس با عرض کامل (FWHM). (ب) نمودار پراکندگی مربوط به حداکثر توان و مدت پالس

علاوه بر این، این مطالعه همچنین برای اولین بار پدیده ابر نشر شبه سالیتون را در باند اشعه ایکس مشاهده کرد که به صورت کوتاه شدن مداوم پالس در طول تقویت ظاهر می شود. این ناشی از یک برهمکنش قوی بین الکترون ها و تابش است که انرژی به سرعت از الکترون به سر پالس اشعه ایکس و از انتهای پالس به الکترون منتقل می شود. از طریق مطالعه عمیق این پدیده، انتظار می‌رود که پالس‌های پرتو ایکس با مدت زمان کوتاه‌تر و قدرت پیک بالاتر، با گسترش فرآیند تقویت ابر تشعشع و بهره‌گیری از کوتاه شدن پالس در حالت شبه سالیتون، بیشتر محقق شوند.