TW դասի ատտովայրկյանային ռենտգենյան իմպուլսային լազեր

TW դասի ատտովայրկյանային ռենտգենյան իմպուլսային լազեր
Ատոսեկյունային ռենտգենիմպուլսային լազերբարձր հզորությամբ և կարճ իմպուլսի տևողությամբ գերարագ ոչ գծային սպեկտրոսկոպիայի և ռենտգենյան դիֆրակցիոն պատկերման հասնելու բանալին են: Միացյալ Նահանգներում հետազոտական ​​​​խումբը օգտագործել է երկաստիճան կասկադայինՌենտգենյան ազատ էլեկտրոնային լազերներդիսկրետ ատոտովայրկյանային իմպուլսներ ստանալու համար: Համեմատած առկա հաշվետվությունների հետ, իմպուլսների միջին գագաթնակետային հզորությունը մեծացված է մեծության կարգով, առավելագույն գագաթնակետային հզորությունը կազմում է 1.1 ՏՎտ, իսկ միջնարժեքային էներգիան՝ ավելի քան 100 մկՋ: Ուսումնասիրությունը նաև հիմնավոր ապացույցներ է տրամադրում ռենտգենյան դաշտում սոլիտոնանման գերճառագայթման վարքագծի վերաբերյալ:Բարձր էներգիայի լազերներխթանել են հետազոտությունների բազմաթիվ նոր ոլորտներ, այդ թվում՝ բարձր դաշտի ֆիզիկան, ատոսեկյանային սպեկտրոսկոպիան և լազերային մասնիկների արագացուցիչները: Լազերների բոլոր տեսակների շարքում ռենտգենյան ճառագայթները լայնորեն կիրառվում են բժշկական ախտորոշման, արդյունաբերական թերությունների հայտնաբերման, անվտանգության ստուգման և գիտական ​​հետազոտությունների մեջ: Ռենտգենյան ազատ էլեկտրոնային լազերը (XFEL) կարող է մի քանի կարգով մեծացնել ռենտգենյան գագաթնակետային հզորությունը՝ համեմատած ռենտգենյան այլ տեխնոլոգիաների հետ, այդպիսով ընդլայնելով ռենտգենյան ճառագայթների կիրառումը ոչ գծային սպեկտրոսկոպիայի և միամասնիկային դիֆրակցիոն պատկերման ոլորտում, որտեղ պահանջվում է բարձր հզորություն: Վերջերս հաջողությամբ իրականացված ատոսեկյանային XFEL-ը ատոսեկյանային գիտության և տեխնոլոգիայի խոշոր նվաճում է, որը մեծացնում է առկա գագաթնակետային հզորությունը ավելի քան վեց կարգով՝ համեմատած սեղանային ռենտգենյան աղբյուրների հետ:

Ազատ էլեկտրոնային լազերներկարող են ստանալ իմպուլսային էներգիաներ, որոնք շատ կարգերով ավելի բարձր են, քան ինքնաբուխ ճառագայթման մակարդակը՝ օգտագործելով կոլեկտիվ անկայունություն, որը պայմանավորված է ռելյատիվիստական ​​էլեկտրոնային փնջի և մագնիսական օսցիլյատորի ճառագայթման դաշտի անընդհատ փոխազդեցությամբ: Կոշտ ռենտգենյան տիրույթում (մոտ 0.01 նմ-ից մինչև 0.1 նմ ալիքի երկարություն) FEL-ը ձեռք է բերվում փնջային սեղմման և հետհագեցած կոնաձևացման տեխնիկաների միջոցով: Փափուկ ռենտգենյան տիրույթում (մոտ 0.1 նմ-ից մինչև 10 նմ ալիքի երկարություն) FEL-ը իրականացվում է կասկադային թարմ շերտավորման տեխնոլոգիայի միջոցով: Վերջերս հաղորդվել է, որ ուժեղացված ինքնուժեղացված ինքնաբուխ ճառագայթման (ESASE) մեթոդով ստեղծվել են ատոսայրկյանային իմպուլսներ՝ 100 ԳՎտ գագաթնակետային հզորությամբ:

Հետազոտական ​​խումբը օգտագործել է XFEL-ի վրա հիմնված երկաստիճան ուժեղացման համակարգ՝ գծային կոհերենտ մագնիսական սպեկտրից ստացված փափուկ ռենտգենյան ատոտոսկյանյան իմպուլսի ելքը ուժեղացնելու համար։լույսի աղբյուրTW մակարդակին, որը մեծության կարգի բարելավում է հաղորդված արդյունքների համեմատ: Փորձարարական կառուցվածքը ներկայացված է նկար 1-ում: ESASE մեթոդի հիման վրա, լուսակաթոդային ճառագայթիչը մոդուլացվում է՝ բարձր հոսանքի սպիկով էլեկտրոնային փունջ ստանալու համար, և օգտագործվում է ատոսայրկյանային ռենտգենյան իմպուլսներ ստեղծելու համար: Սկզբնական իմպուլսը գտնվում է էլեկտրոնային փնջի սպիկի առջևի եզրին, ինչպես ցույց է տրված նկար 1-ի վերին ձախ անկյունում: Երբ XFEL-ը հասնում է հագեցման, էլեկտրոնային փունջը ռենտգենյան համեմատ ուշանում է մագնիսական կոմպրեսորի միջոցով, որից հետո իմպուլսը փոխազդում է էլեկտրոնային փնջի (թարմ կտորի) հետ, որը չի փոփոխվել ESASE մոդուլյացիայի կամ FEL լազերի կողմից: Վերջապես, երկրորդ մագնիսական ունդուլյատորն օգտագործվում է ռենտգենյան ճառագայթները լրացուցիչ ուժեղացնելու համար՝ ատոսայրկյանային իմպուլսների թարմ կտորի հետ փոխազդեցության միջոցով:

ՆԿ. 1. Փորձարարական սարքի դիագրամ։ Նկարազարդումը ցույց է տալիս երկայնական փուլային տարածությունը (էլեկտրոնի ժամանակ-էներգիայի դիագրամ, կանաչ), հոսանքի պրոֆիլը (կապույտ) և առաջին կարգի ուժեղացմամբ առաջացած ճառագայթումը (մանուշակագույն)։ XTCAV, X-շերտի լայնակի խոռոչ։ cVMI, կոաքսիալ արագ քարտեզագրման պատկերման համակարգ։ FZP, Ֆրենելի շերտային թիթեղային սպեկտրոմետր։

Բոլոր ատտովայրկյանային իմպուլսները կառուցված են աղմուկից, ուստի յուրաքանչյուր իմպուլս ունի տարբեր սպեկտրալ և ժամանակային տիրույթի հատկություններ, որոնք հետազոտողները ավելի մանրամասն ուսումնասիրել են: Սպեկտրների առումով նրանք օգտագործել են Ֆրենելի գոտիական թիթեղային սպեկտրոմետր՝ տարբեր համարժեք ուռուցիչ երկարություններում առանձին իմպուլսների սպեկտրները չափելու համար և պարզել են, որ այդ սպեկտրները պահպանել են հարթ ալիքային ձևեր նույնիսկ երկրորդային ուժեղացումից հետո, ինչը ցույց է տալիս, որ իմպուլսները մնացել են միամոդալ: Ժամանակային տիրույթում չափվում է անկյունային եզրը և բնութագրվում է իմպուլսի ժամանակային տիրույթի ալիքային ձևը: Ինչպես ցույց է տրված նկար 1-ում, ռենտգենյան իմպուլսը համընկնում է շրջանաձև բևեռացված ինֆրակարմիր լազերային իմպուլսի հետ: Ռենտգենյան իմպուլսով իոնացված ֆոտոէլեկտրոնները կառաջացնեն շերտեր ինֆրակարմիր լազերի վեկտորային պոտենցիալին հակառակ ուղղությամբ: Քանի որ լազերի էլեկտրական դաշտը պտտվում է ժամանակի ընթացքում, ֆոտոէլեկտրոնի իմպուլսի բաշխումը որոշվում է էլեկտրոնի ճառագայթման ժամանակով, և հաստատվում է ճառագայթման ժամանակի անկյունային մոդի և ֆոտոէլեկտրոնի իմպուլսի բաշխման միջև կապը: Ֆոտոէլեկտրոնային իմպուլսի բաշխումը չափվում է կոաքսիալ արագ քարտեզագրման պատկերման սպեկտրոմետրի միջոցով: Բաշխման և սպեկտրալ արդյունքների հիման վրա կարելի է վերակառուցել ատտոսեկյունային իմպուլսների ժամանակային տիրույթի ալիքային ձևը: Նկար 2 (ա)-ն ցույց է տալիս իմպուլսի տևողության բաշխումը՝ 440 as միջնարժեքով: Վերջապես, գազի մոնիթորինգի դետեկտորն օգտագործվել է իմպուլսի էներգիան չափելու համար, և հաշվարկվել է գագաթնակետային իմպուլսի հզորության և իմպուլսի տևողության միջև ցրման գրաֆիկը, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2 (բ)-ում: Երեք կոնֆիգուրացիաները համապատասխանում են էլեկտրոնային փնջի տարբեր ֆոկուսային պայմաններին, տատանողական կոնաձևացման պայմաններին և մագնիսական կոմպրեսորի ուշացման պայմաններին: Երեք կոնֆիգուրացիաները տվել են համապատասխանաբար 150, 200 և 260 մկՋ միջին իմպուլսային էներգիաներ՝ 1.1 ՏՎտ առավելագույն գագաթնակետային հզորությամբ:

Նկար 2. (ա) Կիսաճանչային և լրիվ լայնության (FWHM) իմպուլսի տևողության բաշխման հիստոգրամը։ (բ) Գագաթնակետային հզորությանը և իմպուլսի տևողությանը համապատասխանող ցրման գրաֆիկը։

Բացի այդ, ուսումնասիրության ընթացքում առաջին անգամ դիտարկվել է նաև սոլիտոնանման գերճառագայթման երևույթը ռենտգենյան տիրույթում, որը դրսևորվում է որպես իմպուլսի անընդհատ կրճատում ուժեղացման ընթացքում: Այն առաջանում է էլեկտրոնների և ճառագայթման միջև ուժեղ փոխազդեցությունից, որի դեպքում էներգիան արագորեն փոխանցվում է էլեկտրոնից ռենտգենյան իմպուլսի գլխին և իմպուլսի պոչից հետ՝ էլեկտրոնին: Այս երևույթի խորը ուսումնասիրության միջոցով ակնկալվում է, որ ավելի կարճ տևողությամբ և ավելի բարձր գագաթնակետային հզորությամբ ռենտգենյան իմպուլսները կարող են հետագայում իրականացվել՝ ընդլայնելով գերճառագայթային ուժեղացման գործընթացը և օգտագործելով սոլիտոնանման ռեժիմում իմպուլսի կրճատումը: