TW क्लास ॲटोसेकंद एक्स-रे पल्स लेसर

TW क्लास ॲटोसेकंद एक्स-रे पल्स लेसर
ॲटोसेकंद एक्स-रेपल्स लेसरउच्च शक्तीसह आणि लहान नाडी कालावधी अल्ट्राफास्ट नॉनलाइनर स्पेक्ट्रोस्कोपी आणि एक्स-रे डिफ्रॅक्शन इमेजिंग मिळविण्याची गुरुकिल्ली आहे. युनायटेड स्टेट्समधील संशोधन पथकाने दोन-टप्प्यांचा कॅस्केड वापरलाक्ष-किरण मुक्त इलेक्ट्रॉन लेसरआउटपुट स्वतंत्र attosecond डाळी. विद्यमान अहवालांच्या तुलनेत, डाळींची सरासरी शिखर शक्ती परिमाणाच्या क्रमाने वाढली आहे, कमाल शिखर शक्ती 1.1 TW आहे आणि मध्य ऊर्जा 100 μJ पेक्षा जास्त आहे. अभ्यास क्ष-किरण क्षेत्रामध्ये सॉलिटन सारख्या सुपर रेडिएशन वर्तनासाठी मजबूत पुरावा देखील प्रदान करतो.उच्च-ऊर्जा लेसरउच्च-क्षेत्रीय भौतिकशास्त्र, ॲटोसेकंड स्पेक्ट्रोस्कोपी आणि लेसर कण प्रवेगकांसह संशोधनाची अनेक नवीन क्षेत्रे चालविली आहेत. सर्व प्रकारच्या लेसरमध्ये, क्ष-किरणांचा मोठ्या प्रमाणावर वैद्यकीय निदान, औद्योगिक दोष शोधणे, सुरक्षा तपासणी आणि वैज्ञानिक संशोधनात वापर केला जातो. क्ष-किरण फ्री-इलेक्ट्रॉन लेसर (XFEL) इतर क्ष-किरण निर्मिती तंत्रज्ञानाच्या तुलनेत पीक क्ष-किरण शक्ती अनेक ऑर्डरने वाढवू शकतो, अशा प्रकारे क्ष-किरणांचा वापर नॉनलाइनर स्पेक्ट्रोस्कोपी आणि सिंगल- कण विवर्तन इमेजिंग जेथे उच्च शक्ती आवश्यक आहे. नुकतीच यशस्वी ॲटोसेकंद XFEL ही ॲटोसेकंद विज्ञान आणि तंत्रज्ञानातील एक मोठी उपलब्धी आहे, ज्यामुळे बेंचटॉप क्ष-किरण स्त्रोतांच्या तुलनेत उपलब्ध पीक पॉवर सहा ऑर्डरपेक्षा जास्त प्रमाणात वाढली आहे.

मोफत इलेक्ट्रॉन लेसरसापेक्षतावादी इलेक्ट्रॉन बीम आणि चुंबकीय आंदोलक मधील रेडिएशन फील्डच्या सतत परस्परसंवादामुळे उद्भवणारी सामूहिक अस्थिरता वापरून उत्स्फूर्त उत्सर्जन पातळीपेक्षा जास्त प्रमाणात नाडी ऊर्जा प्राप्त करू शकते. कठोर क्ष-किरण श्रेणीमध्ये (सुमारे 0.01 nm ते 0.1 nm तरंगलांबी), FEL बंडल कॉम्प्रेशन आणि पोस्ट-सॅच्युरेशन कोनिंग तंत्राद्वारे प्राप्त केले जाते. सॉफ्ट एक्स-रे रेंजमध्ये (सुमारे 0.1 एनएम ते 10 एनएम तरंगलांबी), एफईएल कॅस्केड फ्रेश-स्लाइस तंत्रज्ञानाद्वारे लागू केले जाते. अलीकडे, 100 GW ची सर्वोच्च शक्ती असलेली attosecond puls enhanced self-ampliified spontaneous emition (ESASE) पद्धतीचा वापर करून व्युत्पन्न केल्याचे नोंदवले गेले आहे.

संशोधक संघाने लिनाक कोहेरंटमधून सॉफ्ट एक्स-रे ॲटोसेकंद पल्स आउटपुट वाढवण्यासाठी XFEL वर आधारित दोन-स्टेज प्रवर्धक प्रणाली वापरली.प्रकाश स्रोतTW स्तरापर्यंत, अहवाल दिलेल्या परिणामांपेक्षा परिमाण सुधारण्याचा क्रम. प्रायोगिक सेटअप आकृती 1 मध्ये दर्शविले आहे. ESASE पद्धतीच्या आधारावर, फोटोकॅथोड एमिटरला उच्च विद्युत प्रवाह असलेल्या स्पाइकसह इलेक्ट्रॉन बीम मिळविण्यासाठी मोड्यूलेट केले जाते आणि ॲटोसेकंद एक्स-रे डाळी निर्माण करण्यासाठी वापरले जाते. आकृती 1 च्या वरच्या डाव्या कोपर्यात दाखवल्याप्रमाणे प्रारंभिक नाडी इलेक्ट्रॉन बीमच्या स्पाइकच्या पुढच्या काठावर स्थित असते. जेव्हा XFEL संपृक्ततेपर्यंत पोहोचते, तेव्हा चुंबकीय कंप्रेसरद्वारे एक्स-रेच्या तुलनेत इलेक्ट्रॉन बीमला विलंब होतो, आणि नंतर नाडी इलेक्ट्रॉन बीम (ताजे स्लाइस) शी संवाद साधते जी ESASE मॉड्युलेशन किंवा FEL लेसरद्वारे सुधारित नाही. शेवटी, ताज्या स्लाइससह ॲटोसेकंद डाळींच्या परस्परसंवादाद्वारे क्ष-किरणांना आणखी वाढवण्यासाठी दुसरा चुंबकीय अंड्युलेटर वापरला जातो.

अंजीर. 1 प्रायोगिक उपकरण आकृती; चित्रात अनुदैर्ध्य फेज स्पेस (इलेक्ट्रॉनचा वेळ-ऊर्जा आकृती, हिरवा), वर्तमान प्रोफाइल (निळा), आणि प्रथम-क्रम प्रवर्धन (जांभळा) द्वारे उत्पादित रेडिएशन दर्शविते. XTCAV, एक्स-बँड ट्रान्सव्हर्स पोकळी; cVMI, कोएक्सियल रॅपिड मॅपिंग इमेजिंग सिस्टम; FZP, Fresnel बँड प्लेट स्पेक्ट्रोमीटर

सर्व ॲटोसेकंद डाळी आवाजापासून तयार केल्या जातात, म्हणून प्रत्येक नाडीमध्ये भिन्न वर्णक्रमीय आणि वेळ-डोमेन गुणधर्म असतात, ज्याचा संशोधकांनी अधिक तपशीलवार शोध घेतला. स्पेक्ट्राच्या संदर्भात, त्यांनी फ्रेस्नेल बँड प्लेट स्पेक्ट्रोमीटरचा वापर वेगवेगळ्या समतुल्य अनड्युलेटर लांबीवर वैयक्तिक डाळींचा स्पेक्ट्रा मोजण्यासाठी केला आणि आढळले की या स्पेक्ट्राने दुय्यम प्रवर्धनानंतरही गुळगुळीत तरंगरूपे कायम ठेवली आहेत, हे दर्शविते की डाळी एकसमान आहेत. टाइम डोमेनमध्ये, कोनीय किनारी मोजली जाते आणि नाडीचे टाइम डोमेन वेव्हफॉर्म वैशिष्ट्यीकृत केले जाते. आकृती 1 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, क्ष-किरण नाडी गोलाकार ध्रुवीकृत इन्फ्रारेड लेसर नाडीसह आच्छादित आहे. एक्स-रे पल्सद्वारे आयनीकृत केलेले फोटोइलेक्ट्रॉन इन्फ्रारेड लेसरच्या वेक्टर संभाव्यतेच्या विरुद्ध दिशेने रेषा तयार करतील. लेसरचे विद्युत क्षेत्र वेळेनुसार फिरत असल्याने, फोटोइलेक्ट्रॉनचे संवेग वितरण इलेक्ट्रॉन उत्सर्जनाच्या वेळेनुसार निर्धारित केले जाते आणि उत्सर्जन वेळेच्या कोनीय मोड आणि फोटोइलेक्ट्रॉनचे संवेग वितरण यांच्यातील संबंध स्थापित केला जातो. फोटोइलेक्ट्रॉन मोमेंटमचे वितरण कोएक्सियल फास्ट मॅपिंग इमेजिंग स्पेक्ट्रोमीटर वापरून मोजले जाते. वितरण आणि वर्णक्रमीय परिणामांवर आधारित, एटोसेकंद डाळींचे टाइम-डोमेन वेव्हफॉर्म पुनर्रचना करता येते. आकृती 2 (a) नाडी कालावधीचे वितरण दर्शविते, ज्याचा मध्य 440 आहे. शेवटी, पल्स एनर्जी मोजण्यासाठी गॅस मॉनिटरिंग डिटेक्टरचा वापर केला गेला आणि आकृती 2 (b) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे पीक पल्स पॉवर आणि पल्स कालावधी यांच्यातील स्कॅटर प्लॉटची गणना केली गेली. तीन कॉन्फिगरेशन वेगवेगळ्या इलेक्ट्रॉन बीम फोकसिंग कंडिशन, वेव्हर कोनिंग कंडिशन आणि मॅग्नेटिक कॉम्प्रेसर विलंब परिस्थितीशी संबंधित आहेत. तीन कॉन्फिगरेशनमध्ये अनुक्रमे 150, 200 आणि 260 µJ ची सरासरी पल्स एनर्जी मिळाली, ज्याची कमाल पीक पॉवर 1.1 TW आहे.

आकृती 2. (अ) अर्ध-उंची पूर्ण रुंदी (FWHM) पल्स कालावधीचे वितरण हिस्टोग्राम; (b) पीक पॉवर आणि पल्स कालावधीशी संबंधित स्कॅटर प्लॉट

याव्यतिरिक्त, अभ्यासामध्ये प्रथमच एक्स-रे बँडमध्ये सॉलिटन-सदृश सुपरइमिशनची घटना देखील दिसून आली, जी प्रवर्धनादरम्यान सतत नाडी शॉर्टनिंग म्हणून दिसते. हे इलेक्ट्रॉन आणि रेडिएशन यांच्यातील मजबूत परस्परसंवादामुळे होते, इलेक्ट्रॉनमधून एक्स-रे नाडीच्या डोक्यावर आणि नाडीच्या शेपटातून इलेक्ट्रॉनकडे ऊर्जा वेगाने हस्तांतरित होते. या घटनेचा सखोल अभ्यास करून, सुपर रेडिएशन ॲम्प्लीफिकेशन प्रक्रियेचा विस्तार करून आणि सॉलिटन सारख्या मोडमध्ये पल्स शॉर्टनिंगचा फायदा घेऊन कमी कालावधी आणि उच्च शिखर शक्ती असलेल्या क्ष-किरणांच्या डाळींची आणखी जाणीव होणे अपेक्षित आहे.