ليزر نبضي بالأشعة السينية من فئة TW

ليزر نبضي بالأشعة السينية من فئة TW
الأشعة السينية للأتوسيكوندنبض الليزرتعد الطاقة العالية ومدة النبض القصيرة هي المفتاح لتحقيق التحليل الطيفي غير الخطي فائق السرعة وتصوير حيود الأشعة السينية. استخدم فريق البحث في الولايات المتحدة سلسلة من مرحلتينأشعة ليزر إلكترونية خالية من الأشعة السينيةلإخراج نبضات الأتو ثانية المنفصلة. بالمقارنة مع التقارير الموجودة، يتم زيادة متوسط ​​قدرة الذروة للنبضات بترتيب من حيث الحجم، والحد الأقصى لقدرة الذروة هو 1.1 تيراواط، والطاقة المتوسطة أكثر من 100 ميكروجول. توفر الدراسة أيضًا دليلًا قويًا على سلوك الإشعاع الفائق المشابه للسوليتون في مجال الأشعة السينية.الليزر عالي الطاقةلقد قادت العديد من مجالات البحث الجديدة، بما في ذلك فيزياء المجال العالي، والتحليل الطيفي للأتوثانية، ومسرعات جسيمات الليزر. من بين جميع أنواع الليزر، تُستخدم الأشعة السينية على نطاق واسع في التشخيص الطبي واكتشاف العيوب الصناعية وفحص السلامة والبحث العلمي. يمكن أن يزيد ليزر الأشعة السينية الحر الإلكترون (XFEL) من ذروة طاقة الأشعة السينية بعدة أوامر من حيث الحجم مقارنة بتقنيات توليد الأشعة السينية الأخرى، وبالتالي توسيع نطاق تطبيق الأشعة السينية ليشمل مجال التحليل الطيفي غير الخطي والتحليل الطيفي الأحادي. تصوير حيود الجسيمات حيث تكون هناك حاجة إلى طاقة عالية. يعد جهاز الأتوسيكوند XFEL الناجح مؤخرًا إنجازًا كبيرًا في علوم وتكنولوجيا الأتوسيكوند، حيث يزيد من قدرة الذروة المتاحة بأكثر من ستة أوامر من حيث الحجم مقارنة بمصادر الأشعة السينية الموضوعة على الطاولة.

ليزر الإلكترون الحريمكن الحصول على طاقات نبضية أعلى بعدة مرات من مستوى الانبعاث التلقائي باستخدام عدم الاستقرار الجماعي، والذي يحدث بسبب التفاعل المستمر للمجال الإشعاعي في شعاع الإلكترون النسبي والمذبذب المغناطيسي. في نطاق الأشعة السينية الصلبة (حوالي 0.01 نانومتر إلى 0.1 نانومتر)، يتم تحقيق FEL عن طريق ضغط الحزمة وتقنيات مخروط ما بعد التشبع. في نطاق الأشعة السينية الناعمة (حوالي 0.1 نانومتر إلى 10 نانومتر من الطول الموجي)، يتم تنفيذ FEL بواسطة تقنية الشرائح الطازجة المتتالية. في الآونة الأخيرة، تم الإبلاغ عن توليد نبضات الأتو ثانية ذات قدرة ذروة تبلغ 100 جيجاوات باستخدام طريقة الانبعاث التلقائي المضخم ذاتيًا (ESASE).

استخدم فريق البحث نظام تضخيم على مرحلتين يعتمد على XFEL لتضخيم خرج نبضات الأشعة السينية الناعمة بالأتوثانية من ليناك المتماسكمصدر الضوءإلى مستوى TW، وهو أمر من حيث الحجم التحسن على النتائج المبلغ عنها. يظهر الإعداد التجريبي في الشكل 1. استنادًا إلى طريقة ESASE، يتم تعديل باعث الكاثود الضوئي للحصول على شعاع إلكتروني مع ارتفاع تيار مرتفع، ويستخدم لتوليد نبضات الأشعة السينية الأتوثانية. تقع النبضة الأولية عند الحافة الأمامية لارتفاع شعاع الإلكترون، كما هو موضح في الزاوية اليسرى العليا من الشكل 1. عندما يصل XFEL إلى التشبع، يتأخر شعاع الإلكترون بالنسبة للأشعة السينية بواسطة ضاغط مغناطيسي، ومن ثم يتفاعل النبض مع شعاع الإلكترون (الشريحة الطازجة) التي لم يتم تعديلها بواسطة تعديل ESASE أو ليزر FEL. وأخيرًا، يتم استخدام مموج مغناطيسي ثانٍ لزيادة تضخيم الأشعة السينية من خلال تفاعل نبضات الأتو ثانية مع الشريحة الطازجة.

تين. 1 مخطط الجهاز التجريبي. يُظهر الرسم التوضيحي مساحة الطور الطولي (مخطط الطاقة الزمنية للإلكترون، باللون الأخضر)، وشكل التيار (باللون الأزرق)، والإشعاع الناتج عن التضخيم من الدرجة الأولى (باللون الأرجواني). XTCAV، التجويف العرضي للنطاق X؛ cVMI، نظام التصوير السريع لرسم الخرائط المحوري؛ يعنيFZP مطياف لوحة نطاق فريسنل

يتم إنشاء جميع نبضات الأتوثانية من الضوضاء، لذا فإن كل نبضة لها خصائص طيفية ومجال زمني مختلف، والتي استكشفها الباحثون بمزيد من التفصيل. فيما يتعلق بالأطياف، استخدموا مقياس طيف لوحة نطاق فرينل لقياس أطياف النبضات الفردية بأطوال متموجة مكافئة مختلفة، ووجدوا أن هذه الأطياف حافظت على أشكال موجية ناعمة حتى بعد التضخيم الثانوي، مما يشير إلى أن النبضات ظلت أحادية الشكل. في المجال الزمني، يتم قياس الهامش الزاوي ويتم تحديد الشكل الموجي للنبضة في المجال الزمني. كما هو مبين في الشكل 1، يتداخل نبض الأشعة السينية مع نبض ليزر الأشعة تحت الحمراء المستقطب دائريًا. ستنتج الإلكترونات الضوئية المتأينة بواسطة نبضة الأشعة السينية خطوطًا في الاتجاه المعاكس لجهد ناقل الليزر تحت الأحمر. نظرًا لأن المجال الكهربائي لليزر يدور مع مرور الوقت، يتم تحديد توزيع زخم الإلكترون الضوئي حسب وقت انبعاث الإلكترون، ويتم إنشاء العلاقة بين الوضع الزاوي لوقت الانبعاث وتوزيع زخم الإلكترون الضوئي. يتم قياس توزيع زخم الإلكترون الضوئي باستخدام مطياف التصوير السريع المحوري. واستناداً إلى التوزيع والنتائج الطيفية، يمكن إعادة بناء الشكل الموجي للمجال الزمني لنبضات الأتوثانية. ويبين الشكل 2 (أ) توزيع مدة النبضة، بمتوسط ​​440. وأخيراً، تم استخدام كاشف مراقبة الغاز لقياس طاقة النبض، وتم حساب مخطط التشتت بين ذروة قوة النبض ومدة النبض كما هو موضح في الشكل 2 (ب). تتوافق التكوينات الثلاثة مع ظروف تركيز شعاع الإلكترون المختلفة، وظروف مخروط التردد، وظروف تأخير الضاغط المغناطيسي. أنتجت التكوينات الثلاثة متوسط ​​طاقات نبضية تبلغ 150 و200 و260 ميكروجول، على التوالي، مع قدرة ذروة قصوى تبلغ 1.1 تيراواط.

الشكل 2. (أ) الرسم البياني للتوزيع لمدة نبضة العرض الكامل بنصف الارتفاع (FWHM)؛ (ب) مؤامرة مبعثرة تقابل ذروة القدرة ومدة النبض

بالإضافة إلى ذلك، لاحظت الدراسة أيضًا لأول مرة ظاهرة الانبعاث الفائق الشبيه بالسوليتون في نطاق الأشعة السينية، والذي يظهر على شكل تقصير مستمر للنبض أثناء التضخيم. وينتج عن تفاعل قوي بين الإلكترونات والإشعاع، حيث تنتقل الطاقة بسرعة من الإلكترون إلى رأس نبضة الأشعة السينية وتعود إلى الإلكترون من ذيل النبضة. من خلال الدراسة المتعمقة لهذه الظاهرة، من المتوقع أن يتم تحقيق المزيد من نبضات الأشعة السينية ذات المدة الأقصر وقدرة الذروة الأعلى من خلال توسيع عملية تضخيم الإشعاع الفائق والاستفادة من تقصير النبض في وضع يشبه السليتون.