TW դասի ատտվայրկյան ռենտգեն իմպուլսային լազեր

TW դասի ատտվայրկյան ռենտգեն իմպուլսային լազեր
Attosecond ռենտգենիմպուլսային լազերբարձր հզորությամբ և իմպուլսի կարճ տևողությամբ գերարագ ոչ գծային սպեկտրոսկոպիայի և ռենտգենյան դիֆրակցիոն պատկերավորման բանալին են: ԱՄՆ-ում հետազոտական ​​թիմն օգտագործել է երկաստիճան կասկադՌենտգեն ազատ էլեկտրոնային լազերներարտանետելու դիսկրետ ատտվայրկյանական իմպուլսներ: Համեմատած առկա հաշվետվությունների հետ, իմպուլսների միջին գագաթնակետային հզորությունը մեծանում է մեծության կարգով, առավելագույն գագաթնակետային հզորությունը 1,1 TW է, իսկ միջին էներգիան ավելի քան 100 μJ: Հետազոտությունը նաև հիմնավոր ապացույցներ է տալիս ռենտգենյան դաշտում սոլիտոնի նման գերճառագայթման վարքագծի համար:Բարձր էներգիայի լազերներառաջ են բերել հետազոտության շատ նոր ոլորտներ, ներառյալ բարձր դաշտի ֆիզիկան, ատտովայրկյանային սպեկտրոսկոպիան և լազերային մասնիկների արագացուցիչները: Բոլոր տեսակի լազերների շարքում ռենտգենյան ճառագայթները լայնորեն կիրառվում են բժշկական ախտորոշման, արդյունաբերական թերությունների հայտնաբերման, անվտանգության ստուգման և գիտական ​​հետազոտությունների մեջ: Ռենտգենյան ազատ էլեկտրոնների լազերը (XFEL) կարող է մեծացնել ռենտգենյան ճառագայթների գագաթնակետային հզորությունը մի քանի կարգով, համեմատած ռենտգենյան ճառագայթների ստեղծման այլ տեխնոլոգիաների հետ, այդպիսով ընդլայնելով ռենտգենյան ճառագայթների կիրառումը ոչ գծային սպեկտրոսկոպիայի և միաձույլ սպեկտրոսկոպիայի ոլորտում: մասնիկների դիֆրակցիոն պատկերացում, որտեղ մեծ հզորություն է պահանջվում: Վերջերս հաջողված ատտվայրկյան XFEL-ը մեծ ձեռքբերում է ատտվայրկյանական գիտության և տեխնոլոգիայի մեջ՝ ավելացնելով հասանելի գագաթնակետային հզորությունը ավելի քան վեց կարգով մեծության՝ համեմատած նստարանային ռենտգենյան աղբյուրների հետ:

Ազատ էլեկտրոնային լազերներկարող է ստանալ իմպուլսային էներգիաներ, որոնք շատ կարգով ավելի բարձր են, քան ինքնաբուխ արտանետումների մակարդակը, օգտագործելով կոլեկտիվ անկայունությունը, որն առաջանում է ռելյատիվիստական ​​էլեկտրոնային փնջի և մագնիսական տատանվող ճառագայթման դաշտի շարունակական փոխազդեցությամբ: Կոշտ ռենտգենյան տիրույթում (մոտ 0,01 նմ-ից մինչև 0,1 նմ ալիքի երկարություն), FEL-ը ձեռք է բերվում կապոցների սեղմման և հետհագեցման կոնավորման տեխնիկայի միջոցով: Փափուկ ռենտգենյան տիրույթում (մոտ 0,1 նմ-ից մինչև 10 նմ ալիքի երկարություն) FEL-ն իրականացվում է կասկադային թարմ շերտի տեխնոլոգիայով: Վերջերս հաղորդվել է, որ 100 ԳՎտ գագաթնակետային հզորությամբ ատտվայրկյան իմպուլսներ են ստեղծվել ուժեղացված ինքնաուժեղացված ինքնաբուխ արտանետումների (ESASE) մեթոդով:

Հետազոտական ​​թիմը օգտագործել է XFEL-ի վրա հիմնված երկաստիճան ուժեղացման համակարգ՝ լարային կոհերենտից փափուկ ռենտգենյան ատտվայրկյանական իմպուլսի ելքը ուժեղացնելու համար:լույսի աղբյուրմինչև TW մակարդակ, մագնիտուդով բարելավման կարգ, քան հաղորդված արդյունքները: Փորձարարական կարգավորումը ցույց է տրված Նկար 1-ում: Ելնելով ESASE մեթոդից, ֆոտոկաթոդային արտանետիչը մոդուլացվում է բարձր հոսանքի ցիկլով էլեկտրոնային ճառագայթ ստանալու համար և օգտագործվում է ռենտգեն ռենտգենյան իմպուլսներ առաջացնելու համար: Սկզբնական իմպուլսը գտնվում է էլեկտրոնային փնջի ծայրի առջևի եզրին, ինչպես ցույց է տրված Նկար 1-ի վերին ձախ անկյունում: Երբ XFEL-ը հասնում է հագեցվածության, էլեկտրոնային ճառագայթը հետաձգվում է ռենտգենյան ճառագայթների համեմատ՝ մագնիսական կոմպրեսորի միջոցով: և այնուհետև իմպուլսը փոխազդում է էլեկտրոնային փնջի հետ (թարմ շերտ), որը չի փոփոխվում ESASE մոդուլյացիայի կամ FEL լազերի միջոցով: Ի վերջո, երկրորդ մագնիսական ալիքավորիչը օգտագործվում է ռենտգենյան ճառագայթների հետագա ուժեղացման համար թարմ կտորի հետ ատտվայրկյանական իմպուլսների փոխազդեցության միջոցով:

ՆԿԱՐ. 1 Փորձարարական սարքի դիագրամ; Նկարը ցույց է տալիս երկայնական փուլային տարածությունը (էլեկտրոնի ժամանակի էներգիայի դիագրամը, կանաչ), ընթացիկ պրոֆիլը (կապույտ) և առաջին կարգի ուժեղացման արդյունքում առաջացած ճառագայթումը (մանուշակագույն): XTCAV, X-band լայնակի խոռոչ; cVMI, կոաքսիալ արագ քարտեզագրման պատկերավորման համակարգ; FZP, Fresnel band plate spectrometer

Բոլոր ատտվայրկյանային իմպուլսները կառուցված են աղմուկից, ուստի յուրաքանչյուր իմպուլս ունի տարբեր սպեկտրալ և ժամանակային տիրույթի հատկություններ, որոնք հետազոտողները ավելի մանրամասն ուսումնասիրել են: Ինչ վերաբերում է սպեկտրներին, նրանք օգտագործեցին Ֆրենելի ժապավենային թիթեղային սպեկտրոմետր՝ չափելու առանձին իմպուլսների սպեկտրները տարբեր համարժեք ալիքավոր երկարություններով, և պարզեցին, որ այդ սպեկտրները պահպանում են հարթ ալիքի ձևերը նույնիսկ երկրորդական ուժեղացումից հետո, ինչը ցույց է տալիս, որ իմպուլսները մնում են միամոդալ: Ժամանակի տիրույթում չափվում է անկյունային եզրագիծը և բնութագրվում է իմպուլսի ժամանակային տիրույթի ալիքի ձևը: Ինչպես ցույց է տրված Նկար 1-ում, ռենտգենյան իմպուլսը համընկնում է շրջանաձև բևեռացված ինֆրակարմիր լազերային իմպուլսի հետ: Ռենտգենյան իմպուլսի միջոցով իոնացված ֆոտոէլեկտրոնները կառաջացնեն շերտեր ինֆրակարմիր լազերի վեկտորային ներուժին հակառակ ուղղությամբ: Քանի որ լազերի էլեկտրական դաշտը պտտվում է ժամանակի հետ, ֆոտոէլեկտրոնի իմպուլսի բաշխումը որոշվում է էլեկտրոնի արտանետման ժամանակով, և հաստատվում է արտանետման ժամանակի անկյունային ռեժիմի և ֆոտոէլեկտրոնի իմպուլսի բաշխման միջև կապը: Ֆոտոէլեկտրոնի իմպուլսի բաշխումը չափվում է կոաքսիալ արագ քարտեզագրման պատկերային սպեկտրոմետրի միջոցով: Բաշխվածության և սպեկտրային արդյունքների հիման վրա կարելի է վերակառուցել ատվայրկյանական իմպուլսների ժամանակային տիրույթի ալիքի ձևը: Նկար 2 (ա) ցույց է տալիս զարկերակային տևողության բաշխումը, միջինը 440 է: Ի վերջո, գազի մոնիտորինգի դետեկտորն օգտագործվել է իմպուլսի էներգիան չափելու համար, և հաշվարկվել է ցրման սյուժեն իմպուլսի գագաթնակետային հզորության և իմպուլսի տեւողության միջև, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2 (բ)-ում: Երեք կոնֆիգուրացիաները համապատասխանում են էլեկտրոնային ճառագայթների կենտրոնացման տարբեր պայմաններին, տատանումների միացման պայմաններին և մագնիսական կոմպրեսորի հետաձգման պայմաններին: Երեք կոնֆիգուրացիաները տվել են համապատասխանաբար 150, 200 և 260 մՋ իմպուլսային միջին էներգիա՝ 1,1 TW առավելագույն առավելագույն հզորությամբ:

Նկար 2. (ա) Կիսբարձրության ամբողջ լայնությամբ (FWHM) իմպուլսի տևողության բաշխման հիստոգրամ; բ) ցրման գծապատկեր, որը համապատասխանում է գագաթնակետային հզորությանը և իմպուլսի տևողությանը

Բացի այդ, ուսումնասիրությունը նաև առաջին անգամ նկատեց ռենտգենյան ճառագայթների տիրույթում սոլիտոնի նման սուպերմիսիայի ֆենոմենը, որն ուժեղացման ընթացքում դրսևորվում է որպես զարկերակի շարունակական կրճատում: Այն առաջանում է էլեկտրոնների և ճառագայթման միջև ուժեղ փոխազդեցության հետևանքով, էներգիան արագորեն փոխանցվում է էլեկտրոնից ռենտգենյան իմպուլսի գլխին և հետադարձ դեպի էլեկտրոն՝ իմպուլսի պոչից: Այս երևույթի խորը ուսումնասիրության միջոցով ակնկալվում է, որ ավելի կարճ տևողությամբ և բարձր գագաթնակետային հզորությամբ ռենտգենյան իմպուլսները կարող են հետագայում իրականացվել՝ ընդլայնելով գերճառագայթման ուժեղացման գործընթացը և օգտվելով սոլիտոնի նման ռեժիմում իմպուլսի կրճատումից: