Gündem

Kompakt X-ışını lazerlerine bir adım daha yakın

0

Dünyamızı araştırmak için yeni araçların ortaya çıkışı her zaman keşiflere yol açmıştır. Serbest elektron lazerleri (FEL’ler) olarak adlandırılan ışık kaynakları bu tür araçlara örnektir. FEL’ler, aşırı ultraviyole dahil olmak üzere çok çeşitli dalga boylarında radyasyon üretebilir.1 ve röntgen2 aralıklar ve femtosaniyede ultra kısa darbeler üretebilir3 (10–15 s) veya hatta attosaniye4 (10–18 s) zaman çizelgeleri. Bu uzamsal ve zamansal ölçeklerde biyoloji, kimya ve fizik arasında çok az fark vardır ve FEL’ler üç disiplinde de devrim yaratmıştır. FEL’ler maddenin yerinde dondurulmasını ve mikroskobik düzeyde gözlemlenmesini sağlayarak bilim adamlarının atomların veya elektronların hareketini çözmesine, kimyasal reaksiyonları kontrol etmesine ve kimyasal bağların veya enerji transfer süreçlerinin dinamiklerini takip etmesine izin verdi. içinde bir kağıt Doğa, Wang ve diğerleri5kompakt X-ray FEL’lerin geliştirilmesinde bir dönüm noktası rapor edin.

FEL’ler, değişken polariteye sahip uzun bir mıknatıs dizisi olan bir dalgalayıcıdan geçen yüksek enerjili bir elektron ışınından radyasyon üretir (Şekil 1). Dalgalayıcı elektronların enine salınım yapmasına neden olur ve salınan ışın, salınımın uzamsal periyodunun ışın enerjisinin karesine bölünmesiyle orantılı bir dalga boyunda ışık yayar. Bu nedenle, ışın enerjisi, FEL ışığının çıkış dalga boyunu ayarlamak için kullanılan ana parametrelerden biridir.

Şekil 1

Şekil 1 | Lazerle uyarılan bir plazma dalgasında hızlandırılan elektronlar tarafından sürülen serbest elektronlu bir lazer. Wang ve diğerleri5Plazma adı verilen iyonize bir gaz üretmek için bir gaz jetine bir lazer darbesi ateşledi. Plazmadaki elektronlar, plazma dalgası olarak bilinen bir elektromanyetik dalgada ‘sörf yaparken’ hızlandılar. Yazarlar, ortaya çıkan yüksek enerjili elektron ışınını, bir dizi değişken polariteye sahip (grinin iki tonuyla gösterilen) bir dizi mıknatıs içeren serbest elektron lazeri adı verilen bir ışık kaynağına yönlendirdi. Bu mıknatıslar, ışının enine salınım yapmasına ve radyasyon yaymasına neden oldu. Başlangıçta, elektronlar rastgele dağıtıldı ve düşük genlikli ışık üretti. Bununla birlikte, mıknatıslardan ayrılırken elektronlar, radyasyon dalga boyunun boyutuna yakın bölgelere demetlendi ve yüksek genlikli ışık yaydı. Bu gösteri, serbest elektron lazerleri için yüksek enerjili elektron ışınlarının, birkaç yüz metre ila birkaç kilometre arasında parçacık hızlandırıcıları gerektirmek yerine, kompakt kurulumlarda (Wang ve meslektaşlarının kurulumu yaklaşık 12 metre uzunluğundaydı) üretilebileceğini göstermektedir. uzunluk.

Işın yeterince yüksek bir akıma sahipse ve yeterince monokromatikse, yani elektronlar benzer enerjilere sahipse, benzer yörüngeleri takip ediyor ve benzer özelliklere sahip ışık yayarsa, enerji elektron ışınından lazer ışığına verimli bir şekilde aktarılır. Böyle yüksek parlaklıkta bir huzme, salındırıcı içinde üretilen ışığın elektromanyetik alanı ile etkileşime girdiğinde, huzme kinetik enerjisinin bir kısmını lazer ışığına aktarır. Sonuç olarak, ışık, dalgalayıcı boyunca yayılırken birkaç büyüklük mertebesinde yükseltilir. Bu nedenle FEL’ler, aşırı ultraviyole veya X-ışını dalga boyları gibi kısa dalga boylarında yoğun lazer ışığı üretmek için yüksek enerjili ve yüksek parlaklıkta elektron ışınları gerektirir.

Elektron ışınları normalde elektronların, parçacıkların bir elektromanyetik dalgada ‘gezinerek’ enerji kazandığı, rezonant boşluklar adı verilen uzun bir içi boş metal yapılar dizisine enjekte edilmesiyle hızlandırılır. Nihai enerji, dalganın genliğine (yani, hızlanan alanın kuvvetine) ve hızlandırıcının uzunluğuna bağlıdır. Mevcut teknoloji, hızlandırıcı boşluklardaki alan gücünü metre başına birkaç on megavolt ile sınırlar. Bu nedenle, bir X-ışını FEL’in ihtiyaç duyduğu birkaç gigaelektronvoltluk (GeV) ışın enerjisine ulaşmak için birkaç yüz metre ila birkaç kilometre uzunluğunda bir hızlandırıcı gereklidir. Bu nedenle yüksek enerjili elektron ışınları, yalnızca büyük hızlandırıcı tesislerinde mevcut olma eğilimindedir ve FEL’lere erişebilen bilim adamlarının sayısını veya yüksek enerjili elektronlara ihtiyaç duyan gelişmiş araştırma araçlarını sınırlar.

Bu kısıtlama, hızlandırıcılarla ilişkili ayak izini ve maliyetleri azaltmak için güçlü hızlanan alanlar üretmenin alternatif yollarını aramanın arkasındaki motivasyonlardan biridir. Umut verici bir fikir, optik lazerlerin yüksek güç yoğunluğunu kullanarak bir plazmada – iyonize bir gazda – bir elektromanyetik dalganın uyarılmasını içerir.6. Bir plazmada, geleneksel hızlandırıcı boşluklardakinden binlerce kat daha güçlü olan hızlanan alanlar oluşturulabilir. Bu tür alanlarla, bir X-ışını FEL’inin ihtiyaç duyduğu elektron ışını enerjisine birkaç kilometre yerine birkaç on santimetrede ulaşılabilir.

Bir plazma dalgası, bir lazer darbesi veya elektron ışınının kendisi tarafından uyarılabilir. Aslında, ışın akımını, ışının bir parçası dalgayı uyaracak ve daha sonra aynı ışının ikinci bir parçasını hızlandıracak şekilde şekillendirmek mümkündür. Her iki yaklaşım da daha önce araştırıldı ve tahmin edilenlere benzer muazzam alan güçleri6, gösterildi7,8. Ancak bu ışınları kullanarak FEL’leri başarılı bir şekilde sürmek için eksik olan bileşenlerden biri ışın kalitesiyle ilgiliydi. Spesifik olarak, elektronlar arasındaki enerji farkı çok büyüktü ve yayılan radyasyon, ışık amplifikasyonunun birkaç büyüklük mertebesi olduğu radyasyon dalga boyu büyüklüğündeki bölgelere demetlenmiş elektronlar yerine rastgele dağılmış elektronlar tarafından üretilmiş gibi davrandı. daha büyük.

Çeşitli ekipler, FEL amplifikasyonu için yeterince monokromatik olan bir elektron ışınının kararlı ve güvenilir hızlandırılması için koşulları bulmaya odaklanıyor.9. ve diğerleri ilk kez, bu amplifikasyonun lazerle uyarılan bir plazma dalgasında hızlandırılmış elektronlar kullanılarak elde edilebileceğini göstermişlerdir (Şekil 1). Yazarlar, sadece 6 mm çapında bir gaz jetine bir lazer darbesi ateşleyerek plazma dalgasını ürettiler. Gazın yoğunluğunu manipüle ederek, plazma yoğunluğunu hızlanma yönü boyunca şekillendirdiler ve plazmadan elektronları plazma dalgasının hızlanan fazına yüklediler. Bu teknik, yaklaşık 0,5 GeV enerjiye sahip üretilen ışının, 27 nm çıkış dalga boyunda aşırı ultraviyole FEL’de radyasyonu yükseltmek için yeterli kalitede olmasını sağlamıştır.

Wang ve meslektaşlarının FEL performansı, benzer dalga boylarında radyasyon üreten mevcut FEL tesislerinde mevcut olanla henüz eşleşemez.1,10. Bununla birlikte, bu lazer teknolojik bir atılımı temsil eder ve elektron ışınından radyasyona enerji aktarmadaki kararlılığı, tekrarlanabilirliği ve verimliliği muhtemelen gelecekte geliştirilecektir. Yazarların deneyi, son derece kompakt hızlandırıcılar tarafından yönlendirilen FEL’lerin yolunu açıyor11üniversite ölçekli tesislerde yönetilebilir. Keşifleri destekleyecek yeni bir aracın gereksinimlerinden biri de kullanılabilirliğidir ve bu çalışma, FEL ışığının dünyadaki kullanılabilirliğini artırmayı vaat ediyor.

Rekabet İlgi Alanları

Yazar, rekabet eden çıkarlar beyan etmemektedir.

Profesör

Bir grafen sistemindeki süper iletkenlik, güçlü bir manyetik alandan kurtulur

Previous article

Baskıcı bir kucaklaşmada iki dev hücre bölünmesi

Next article

You may also like

Comments

Comments are closed.

More in Gündem