ليزر نبضي بالأشعة السينية من فئة TW
أشعة سينية أتو ثانيةليزر نبضيتُعدّ النبضات عالية الطاقة وقصيرة المدة النبضية مفتاحًا لتحقيق مطيافية غير خطية فائقة السرعة وتصوير حيود الأشعة السينية. استخدم فريق البحث في الولايات المتحدة سلسلة من المرحلتينليزر الإلكترونات الحرة بالأشعة السينيةلإنتاج نبضات أتو ثانية منفصلة. بالمقارنة مع التقارير الحالية، ازداد متوسط قدرة الذروة للنبضات بمقدار كبير، وبلغت أقصى قدرة ذروة 1.1 تيراوات، وتجاوزت الطاقة المتوسطة 100 ميكروجول. كما تُقدم الدراسة دليلاً قوياً على سلوك إشعاع فائق شبيه بالإشعاع السوليتوني 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، والكشف عن العيوب الصناعية، وفحوصات السلامة، والبحث العلمي. يمكن لليزر الإلكترون الحر بالأشعة السينية (XFEL) زيادة طاقة ذروة الأشعة السينية بعدة أضعاف مقارنةً بتقنيات توليد الأشعة السينية الأخرى، مما يُوسّع نطاق تطبيق الأشعة السينية ليشمل مجال التحليل الطيفي غير الخطي وتصوير حيود الجسيم الواحد حيثما تكون الطاقة العالية مطلوبة. يُعدّ نجاح ليزر XFEL للأتوثانية مؤخرًا إنجازًا كبيرًا في علوم وتكنولوجيا الأتوثانية، حيث يزيد من طاقة الذروة المتاحة بأكثر من ستة أضعاف مقارنةً بمصادر الأشعة السينية المختبرية.
ليزرات الإلكترونات الحرةيمكن الحصول على طاقات نبضية أعلى بكثير من مستوى الانبعاث التلقائي باستخدام عدم الاستقرار الجماعي، الناتج عن التفاعل المستمر لمجال الإشعاع في شعاع الإلكترون النسبي والمذبذب المغناطيسي. في نطاق الأشعة السينية الصلبة (طول موجي يتراوح بين 0.01 نانومتر و0.1 نانومتر تقريبًا)، يتم تحقيق الانبعاث التلقائي بالضوء (FEL) عن طريق ضغط الحزمة وتقنيات التكوير بعد التشبع. أما في نطاق الأشعة السينية اللينة (طول موجي يتراوح بين 0.1 نانومتر و10 نانومتر تقريبًا)، فيتم تنفيذ الانبعاث التلقائي بالضوء (FEL) باستخدام تقنية الشريحة الطازجة المتتالية. مؤخرًا، تم الإبلاغ عن توليد نبضات أتو ثانية بقوة ذروة تبلغ 100 جيجاواط باستخدام طريقة الانبعاث التلقائي المضخم ذاتيًا المعزز (ESASE).
استخدم فريق البحث نظام تضخيم من مرحلتين يعتمد على XFEL لتضخيم خرج نبضة الأتوثانية للأشعة السينية الناعمة من المسرع الخطي المتماسكمصدر الضوءإلى مستوى TW، وهو تحسن بمقدار مرتبة واحدة عن النتائج المبلغ عنها. يظهر الإعداد التجريبي في الشكل 1. بناءً على طريقة ESASE، يتم تعديل باعث الكاثود الضوئي للحصول على حزمة إلكترون ذات ارتفاع تيار عالٍ، ويُستخدم لتوليد نبضات أشعة سينية في الأتوثانية. تقع النبضة الأولية عند الحافة الأمامية لارتفاع حزمة الإلكترون، كما هو موضح في الزاوية العلوية اليسرى من الشكل 1. عندما يصل XFEL إلى التشبع، يتم تأخير شعاع الإلكترون بالنسبة للأشعة السينية بواسطة ضاغط مغناطيسي، ثم يتفاعل النبض مع شعاع الإلكترون (الشريحة الجديدة) التي لم يتم تعديلها بواسطة تعديل ESASE أو ليزر FEL. وأخيرًا، يتم استخدام مموج مغناطيسي ثانٍ لزيادة تضخيم الأشعة السينية من خلال تفاعل نبضات الأتوثانية مع الشريحة الجديدة.
الشكل 1: مخطط الجهاز التجريبي؛ يُظهر الرسم التوضيحي فضاء الطور الطولي (مخطط الزمن والطاقة للإلكترون، باللون الأخضر)، ونمط التيار (بالأزرق)، والإشعاع الناتج عن التضخيم من الدرجة الأولى (بنفسجي). XTCAV، تجويف عرضي بنطاق X؛ cVMI، نظام تصوير سريع محوري؛ FZP، مطياف لوحة نطاق فرينل.
جميع نبضات الأتوثانية مبنية على الضوضاء، لذا فإن لكل نبضة خصائص طيفية وزمنية مختلفة، والتي استكشفها الباحثون بمزيد من التفصيل. من حيث الأطياف، استخدموا مطياف لوحة نطاق فرينل لقياس أطياف النبضات الفردية عند أطوال مموجة مكافئة مختلفة، ووجدوا أن هذه الأطياف حافظت على أشكال موجية سلسة حتى بعد التضخيم الثانوي، مما يشير إلى أن النبضات ظلت أحادية النمط. في المجال الزمني، يتم قياس الحافة الزاوية وتوصيف شكل موجة المجال الزمني للنبضة. كما هو موضح في الشكل 1، تتداخل نبضة الأشعة السينية مع نبضة ليزر الأشعة تحت الحمراء المستقطبة دائريًا. ستنتج الإلكترونات الضوئية المتأينة بواسطة نبضة الأشعة السينية خطوطًا في الاتجاه المعاكس لجهد المتجه لليزر الأشعة تحت الحمراء. ولأن المجال الكهربائي لليزر يدور مع الزمن، فإن توزيع زخم الإلكترون الضوئي يتحدد بوقت انبعاث الإلكترون، ويتم تحديد العلاقة بين الوضع الزاوي لوقت الانبعاث وتوزيع زخم الإلكترون الضوئي. يُقاس توزيع زخم الإلكترونات الضوئية باستخدام مطياف تصويري محوري سريع. بناءً على التوزيع ونتائج الطيف، يُمكن إعادة بناء شكل موجة المجال الزمني لنبضات الأتوثانية. يُظهر الشكل 2 (أ) توزيع مدة النبضة، بمتوسط قدره 440 ثانية. وأخيرًا، استُخدم كاشف مراقبة الغاز لقياس طاقة النبضة، وحُسب الرسم البياني التشتتي بين طاقة ذروة النبضة ومدة النبضة كما هو موضح في الشكل 2 (ب). تتوافق التكوينات الثلاثة مع ظروف تركيز حزمة الإلكترونات المختلفة، وظروف مخروط الموجة، وظروف تأخير الضاغط المغناطيسي. أسفرت التكوينات الثلاثة عن متوسط طاقات نبضية قدرها 150 و200 و260 ميكروجول على التوالي، مع أقصى طاقة ذروة قدرها 1.1 تيراوات.
الشكل 2. (أ) توزيع الهيستوغرام لمدة النبضة بنصف الارتفاع والعرض الكامل (FWHM)؛ (ب) مخطط التشتت المقابل لقدرة الذروة ومدة النبضة
بالإضافة إلى ذلك، رصدت الدراسة لأول مرة ظاهرة الانبعاث الفائق الشبيه بالإشعاع السوليتوني في نطاق الأشعة السينية، والتي تظهر على شكل تقصير مستمر للنبضة أثناء التضخيم. وينتج هذا التقصير عن تفاعل قوي بين الإلكترونات والإشعاع، حيث تنتقل الطاقة بسرعة من الإلكترون إلى رأس نبضة الأشعة السينية، ثم تعود إليه من ذيلها. ومن خلال الدراسة المتعمقة لهذه الظاهرة، يُتوقع تحقيق نبضات أشعة سينية أقصر مدةً وأعلى طاقةً من خلال توسيع عملية تضخيم الإشعاع الفائق والاستفادة من تقصير النبضة في الوضع السوليتوني.
وقت النشر: ٢٧ مايو ٢٠٢٤