TW flokks attósekúndu röntgenpúlsleysir

TW flokks attósekúndu röntgenpúlsleysir
Attósekúndu röntgengeislipúls leysirmeð mikilli orku og stuttum púlslengd eru lykillinn að því að ná fram ofurhraðri ólínulegri litrófsgreiningu og röntgengeislunargreiningu. Rannsóknarhópurinn í Bandaríkjunum notaði tveggja þrepa kaskadferilRöntgengeislunarfrjáls rafeindalaserartil að gefa frá sér staka attósekúndu púlsa. Í samanburði við núverandi skýrslur er meðalhámarksafl púlsanna aukið um stærðargráðu, hámarkshámarksafl er 1,1 TW og miðgildi orkunnar er meira en 100 μJ. Rannsóknin veitir einnig sterkar vísbendingar um einlitónalíka ofurgeislunarhegðun í röntgengeislunarsviðinu.Háorkuleysarhafa knúið áfram mörg ný rannsóknarsvið, þar á meðal hásviðs eðlisfræði, attósekúndu litrófsgreiningu og leysigeislaörgnahröðlum. Meðal allra leysigeisla eru röntgengeislar mikið notaðir í læknisfræðilegri greiningu, iðnaðargallagreiningu, öryggisskoðun og vísindarannsóknum. Röntgenfrjáls rafeindaleysir (XFEL) getur aukið hámarksafl röntgengeislunar um nokkrar stærðargráður samanborið við aðrar röntgengeislunarframleiðslutækni, og þannig aukið notkun röntgengeisla á sviði ólínulegrar litrófsgreiningar og stakra agna dreifingarmyndgreiningar þar sem mikil afl er krafist. Nýleg farsæl attósekúndu XFEL er mikið afrek í attósekúndu vísindum og tækni og eykur tiltækt hámarksafl um meira en sex stærðargráður samanborið við hefðbundnar röntgengeislagjafa.

Fríar rafeindalaserargetur fengið púlsorku sem er mörgum stærðargráðum hærri en sjálfsprottin losunarstig með því að nota sameiginlegan óstöðugleika, sem orsakast af stöðugri víxlverkun geislunarsviðsins í afstæðishyggju rafeindageislans og segulbylgjuofnsins. Í hörðu röntgengeislasviðinu (um 0,01 nm til 0,1 nm bylgjulengd) er FEL náð með knippiþjöppun og eftirmettunarkeilutækni. Í mjúku röntgengeislasviðinu (um 0,1 nm til 10 nm bylgjulengd) er FEL útfært með kaskaða ferskum sneiðatækni. Nýlega hefur verið greint frá því að attósekúndupúlsar með hámarksafli upp á 100 GW séu myndaðir með því að nota enhanced self-amplified spontane emission (ESASE) aðferðina.

Rannsóknarteymið notaði tveggja þrepa magnarakerfi byggt á XFEL til að magna upp mjúka röntgengeislunar-attósekúndu púlsútganginn frá línustýrða rafrásinni.ljósgjafiað TW-stigi, sem er töluverð framför frá birtum niðurstöðum. Tilraunauppsetningin er sýnd á mynd 1. Byggt á ESASE aðferðinni er ljósnemaútgeislinn mótaður til að fá rafeindageisla með miklum straumtoppi og er notaður til að mynda attósekúndu röntgengeislapúlsa. Upphafspúlsinn er staðsettur við fremri brún toppsins á rafeindageislanum, eins og sést í efra vinstra horninu á mynd 1. Þegar XFEL nær mettun er rafeindageislinn seinkaður miðað við röntgengeislann með segulþjöppu og síðan hefur púlsinn samskipti við rafeindageislann (nýja sneiðina) sem er ekki breytt af ESASE mótuninni eða FEL leysinum. Að lokum er annar segulbylgjubúnaður notaður til að magna röntgengeislana frekar með samspili attósekúndupúlsa við nýju sneiðina.

MYND 1 Skýringarmynd af tilraunatæki; Myndin sýnir lengdarfasarýmið (tíma-orkurit rafeindarinnar, grænt), straumsnið (blátt) og geislunina sem myndast við fyrsta stigs mögnun (fjólublátt). XTCAV, X-band þvershol; cVMI, samása hraðkortlagningarmyndgreiningarkerfi; FZP, Fresnel bandplötulitrófsmælir

Allir attósekúndupúlsar eru byggðir upp úr hávaða, þannig að hver púls hefur mismunandi litrófs- og tímasviðseiginleika, sem vísindamennirnir könnuðu nánar. Hvað varðar litróf notuðu þeir Fresnel bandplötulitrófsmæli til að mæla litróf einstakra púlsa við mismunandi jafngildar bylgjulengdir og komust að því að þessi litróf héldu sléttum bylgjuformum jafnvel eftir auka mögnun, sem bendir til þess að púlsarnir héldust einhliða. Í tímasviðinu er hornjaðrið mælt og bylgjuform púlsins í tímasviðinu einkennt. Eins og sést á mynd 1 skarast röntgengeislapúlsinn við hringlaga skautaða innrauða leysigeislapúlsinn. Ljósrafeindirnar sem jónaðar eru af röntgengeislapúlsinum munu framleiða rákir í gagnstæða átt við vigurmöguleika innrauða leysigeislans. Vegna þess að rafsvið leysigeislans snýst með tímanum er skriðþungadreifing ljósrafeindarinnar ákvörðuð af tíma rafeindalosunar og sambandið milli hornham losunartímans og skriðþungadreifingar ljósrafeindarinnar er ákvarðað. Dreifing skriðþunga ljósrafeindarinnar er mæld með samása hraðkortlagningarlitrófsmæli. Byggt á dreifingu og litrófsniðurstöðum er hægt að endurskapa tímasviðsbylgjuform attósekúndupúlsa. Mynd 2 (a) sýnir dreifingu púlslengdar, með miðgildi upp á 440 as. Að lokum var gasmælingarneminn notaður til að mæla púlsorkuna og dreifingarrit milli hámarks púlsafls og púlslengdar eins og sýnt er á mynd 2 (b) var reiknað út. Þessar þrjár stillingar samsvara mismunandi rafeindageislafókusunarskilyrðum, bylgjukeiluskilyrðum og segulþjöppuseinkunarskilyrðum. Þessar þrjár stillingar gáfu meðalpúlsorku upp á 150, 200 og 260 µJ, talið í sömu röð, með hámarks hámarksafli upp á 1,1 TW.

Mynd 2. (a) Dreifingarsúlurit fyrir púlslengd í hálfri hæð og fullri breidd (FWHM); (b) Punktarit sem samsvarar hámarksafli og púlslengd

Að auki kom í rannsókninni í fyrsta skipti fram fyrirbærið sólitóna-lík ofurgeislun í röntgensviðinu, sem birtist sem stöðug stytting púlsa við mögnun. Þetta orsakast af sterkri víxlverkun milli rafeinda og geislunar, þar sem orka flyst hratt frá rafeindinni að höfði röntgenpúlsins og til baka til rafeindarinnar frá hala púlsins. Með ítarlegri rannsókn á þessu fyrirbæri er búist við að hægt sé að ná frekari röntgenpúlsum með styttri lengd og hærri hámarksafli með því að lengja ofurgeislunarmögnunarferlið og nýta sér styttingu púlsa í sólitóna-líkum ham.