ليزر نبضي بالأشعة السينية من فئة TW بأتوثانية
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 السينيةلإخراج 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 الإشعاع الفائق الشبيه 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، وكشف العيوب الصناعية، وفحص 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 حيث تتطلب طاقة عالية. يُعدّ نجاح ليزر XFEL بالأتوثانية مؤخرًا إنجازًا كبيرًا في علوم وتكنولوجيا الأتوثانية، حيث يزيد من طاقة الذروة المتاحة بأكثر من ستة أضعاف مقارنةً بمصادر الأشعة السينية المختبرية.
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 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 الناعمة (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 ثنائي المرحلة يعتمد على XFEL لتضخيم ناتج نبضة الأشعة السينية الناعمة في الأتوثانية من المسرع الخطي المتماسكمصدر الضوءإلى مستوى TW، 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 شعاع إلكترون ذو ارتفاع تيار مرتفع، ويُستخدم لتوليد نبضات أشعة سينية في الأتوثانية. تقع النبضة الأولية عند الحافة الأمامية لارتفاع شعاع 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) الذي لم يتم تعديله 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 صفيحة نطاق فرينل.
جميع نبضات الأتوثانية مبنية على الضوضاء، لذا لكل نبضة خصائص طيفية وزمنية مختلفة، وقد استكشفها الباحثون بمزيد من التفصيل. أما بالنسبة للأطياف، فقد 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 النطاق الزمني، يتم قياس الحافة الزاوية وتوصيف شكل موجة النطاق 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 بزمن انبعاث الإلكترون، ويتم تحديد العلاقة بين الوضع الزاوي لزمن الانبعاث وتوزيع زخم الإلكترون الضوئي. يُقاس توزيع زخم الإلكترونات الضوئية باستخدام مطياف تصويري محوري سريع. بناءً على التوزيع والنتائج الطيفية، يُمكن إعادة بناء شكل موجة المجال الزمني لنبضات الأتوثانية. يُظهر الشكل 2 (أ) توزيع مدة النبضة، بمتوسط 440 ثانية. وأخيرًا، استُخدم كاشف مراقبة الغاز لقياس طاقة النبضة، وحُسب الرسم البياني التشتتي بين طاقة ذروة النبضة ومدتها 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 الهيستوجرام 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