ليزر نبضي للأشعة السينية من فئة تيراواط

ليزر نبضي للأشعة السينية من فئة تيراواط
الأشعة السينية بالثوانيليزر نبضييُعدّ استخدام طاقة عالية ومدة نبض قصيرة مفتاحًا لتحقيق التحليل الطيفي غير الخطي فائق السرعة والتصوير الحيودي بالأشعة السينية. وقد استخدم فريق البحث في الولايات المتحدة سلسلة من مرحلتينليزرات الإلكترون الحر للأشعة السينيةلإخراج نبضات منفصلة في نطاق الأتوثانية. بالمقارنة مع التقارير السابقة، زاد متوسط ​​ذروة قدرة النبضات بمقدار عشرة أضعاف، وبلغت ذروة القدرة القصوى 1.1 تيراواط، وتجاوز متوسط ​​الطاقة 100 ميكرو جول. كما تقدم الدراسة أدلة قوية على سلوك الإشعاع الفائق الشبيه بالسوليتون في مجال الأشعة السينية.الليزر عالي الطاقةلقد ساهمت هذه التقنيات في ظهور العديد من مجالات البحث الجديدة، بما في ذلك فيزياء المجالات العالية، وقياس الطيف في نطاق الأتوثانية، ومسرعات الجسيمات الليزرية. ومن بين جميع أنواع الليزر، تُستخدم الأشعة السينية على نطاق واسع في التشخيص الطبي، والكشف عن العيوب الصناعية، وفحص السلامة، والبحث العلمي. يُمكن لليزر الإلكترون الحر للأشعة السينية (XFEL) زيادة ذروة طاقة الأشعة السينية بعدة مراتب مقارنةً بتقنيات توليد الأشعة السينية الأخرى، مما يُوسع نطاق استخدام الأشعة السينية ليشمل مجال قياس الطيف غير الخطي وتصوير حيود الجسيمات المفردة حيث تكون الطاقة العالية مطلوبة. ويُعدّ نجاح ليزر الإلكترون الحر للأتوثانية مؤخرًا إنجازًا هامًا في علم وتكنولوجيا الأتوثانية، حيث زاد من ذروة الطاقة المتاحة بأكثر من ستة مراتب مقارنةً بمصادر الأشعة السينية المكتبية.

ليزر الإلكترون الحريمكن الحصول على طاقات نبضية أعلى بكثير من مستوى الانبعاث التلقائي باستخدام عدم الاستقرار الجماعي، الناتج عن التفاعل المستمر بين مجال الإشعاع في حزمة الإلكترونات النسبية والمذبذب المغناطيسي. في نطاق الأشعة السينية الصلبة (من 0.01 نانومتر إلى 0.1 نانومتر تقريبًا)، يُنتج ليزر الإلكترون الحر (FEL) بتقنيات ضغط الحزمة وتقنية المخروط بعد التشبع. أما في نطاق الأشعة السينية اللينة (من 0.1 نانومتر إلى 10 نانومتر تقريبًا)، فيُنتج ليزر الإلكترون الحر بتقنية الشريحة الطازجة المتتالية. وقد أُبلغ مؤخرًا عن توليد نبضات أتوثانية بقدرة ذروة تبلغ 100 جيجاواط باستخدام طريقة الانبعاث التلقائي المُضخّم ذاتيًا المُعزز (ESASE).

استخدم فريق البحث نظام تضخيم ثنائي المراحل يعتمد على أشعة إكس الحرة الإلكترونية لتضخيم نبضات الأشعة السينية اللينة ذات الثواني المتناهية الصغر الناتجة عن المعجل الخطي المتماسك.مصدر ضوءبمستوى تيراواط، وهو تحسن بمقدار عشرة أضعاف مقارنةً بالنتائج المنشورة. يوضح الشكل 1 الإعداد التجريبي. استنادًا إلى طريقة ESASE، يتم تعديل باعث الكاثود الضوئي للحصول على حزمة إلكترونية ذات ذروة تيار عالية، وتُستخدم لتوليد نبضات أشعة سينية أتوثانية. تقع النبضة الأولية عند الحافة الأمامية لذروة حزمة الإلكترونات، كما هو موضح في الزاوية العلوية اليسرى من الشكل 1. عندما يصل ليزر الإلكترون الحر للأشعة السينية (XFEL) إلى التشبع، يتم تأخير حزمة الإلكترونات بالنسبة للأشعة السينية بواسطة ضاغط مغناطيسي، ثم تتفاعل النبضة مع حزمة الإلكترونات (شريحة جديدة) غير المعدلة بواسطة تعديل ESASE أو ليزر الإلكترون الحر. أخيرًا، يُستخدم مموج مغناطيسي ثانٍ لزيادة تضخيم الأشعة السينية من خلال تفاعل نبضات الأتوثانية مع الشريحة الجديدة.

الشكل 1: مخطط الجهاز التجريبي؛ يوضح الرسم التوضيحي فضاء الطور الطولي (مخطط الطاقة الزمنية للإلكترون، باللون الأخضر)، وملف تعريف التيار (باللون الأزرق)، والإشعاع الناتج عن التضخيم من الدرجة الأولى (باللون الأرجواني). XTCAV: تجويف عرضي في نطاق X؛ cVMI: نظام تصوير سريع محوري؛ FZP: مطياف لوحة نطاق فريسنل

تُبنى جميع نبضات الأتوثانية من الضوضاء، لذا تتميز كل نبضة بخصائص طيفية وزمنية مختلفة، وهو ما استكشفه الباحثون بتفصيل أكبر. فعلى صعيد الأطياف، استخدموا مطياف لوحة فريسنل لقياس أطياف النبضات الفردية عند أطوال مكافئة مختلفة للمموج، ووجدوا أن هذه الأطياف حافظت على أشكال موجية سلسة حتى بعد التضخيم الثانوي، مما يشير إلى أن النبضات ظلت أحادية النمط. أما في المجال الزمني، فقد تم قياس الهدب الزاوي وتحديد شكل الموجة الزمني للنبضة. وكما هو موضح في الشكل 1، تتداخل نبضة الأشعة السينية مع نبضة ليزر الأشعة تحت الحمراء المستقطبة دائريًا. وتُنتج الإلكترونات الضوئية المتأينة بواسطة نبضة الأشعة السينية خطوطًا في الاتجاه المعاكس للجهد الشعاعي لليزر الأشعة تحت الحمراء. ولأن المجال الكهربائي لليزر يدور مع الزمن، فإن توزيع زخم الإلكترون الضوئي يتحدد بزمن انبعاث الإلكترون، وقد تم تحديد العلاقة بين النمط الزاوي لزمن الانبعاث وتوزيع زخم الإلكترون الضوئي. يُقاس توزيع زخم الإلكترونات الضوئية باستخدام مطياف تصوير سريع المحور. وبناءً على نتائج التوزيع والطيف، يُمكن إعادة بناء شكل الموجة في المجال الزمني لنبضات الأتوثانية. يُظهر الشكل 2 (أ) توزيع مدة النبضة، بمتوسط ​​440 أتوثانية. أخيرًا، استُخدم كاشف مراقبة الغاز لقياس طاقة النبضة، وحُسب مخطط التشتت بين ذروة قدرة النبضة ومدتها كما هو موضح في الشكل 2 (ب). تتوافق التكوينات الثلاثة مع ظروف تركيز مختلفة لحزمة الإلكترونات، وظروف تشكيل مخروط الموجة، وظروف تأخير الضاغط المغناطيسي. وقد أسفرت التكوينات الثلاثة عن متوسط ​​طاقات نبضات يبلغ 150 و200 و260 ميكرو جول على التوالي، مع قدرة ذروة قصوى تبلغ 1.1 تيرا واط.

الشكل 2. (أ) المدرج التكراري لتوزيع مدة النبضة عند نصف الارتفاع (FWHM)؛ (ب) مخطط التشتت المقابل لذروة القدرة ومدة النبضة

بالإضافة إلى ذلك، رصدت الدراسة لأول مرة ظاهرة الانبعاث الفائق الشبيه بالسوليتون في نطاق الأشعة السينية، والذي يظهر على شكل تقصير مستمر في النبضة أثناء التضخيم. وينتج هذا عن تفاعل قوي بين الإلكترونات والإشعاع، حيث تنتقل الطاقة بسرعة من الإلكترون إلى رأس نبضة الأشعة السينية، ثم تعود إلى الإلكترون من ذيل النبضة. ومن خلال دراسة معمقة لهذه الظاهرة، يُتوقع إمكانية الحصول على نبضات أشعة سينية ذات مدة أقصر وقدرة ذروة أعلى، وذلك بتمديد عملية تضخيم الإشعاع الفائق والاستفادة من تقصير النبضة في نمط شبيه بالسوليتون.