TW급 아토초 X선 펄스 레이저

TW급 아토초 X선 펄스 레이저
아토초 X선펄스 레이저고출력과 짧은 펄스 지속 시간을 갖는 것이 초고속 비선형 분광법과 X선 회절 이미징을 달성하는 데 핵심입니다. 미국 연구팀은 2단계 캐스케이드를 사용했습니다.X선 자유 전자 레이저이산적인 아토초 펄스를 출력합니다. 기존 보고와 비교했을 때, 펄스의 평균 피크 전력은 10배 증가했으며, 최대 피크 전력은 1.1TW, 중간 에너지는 100μJ 이상입니다. 또한 이 연구는 X선 영역에서 솔리톤과 유사한 초방사선 거동에 대한 강력한 증거를 제시합니다.고에너지 레이저고자기장 물리학, 아토초 분광학, 레이저 입자 가속기 등 여러 새로운 연구 분야를 주도해 왔습니다. 모든 종류의 레이저 중에서 X선은 의료 진단, 산업 결함 탐지, 안전 검사 및 과학 연구에 널리 사용됩니다. X선 자유 전자 레이저(XFEL)는 다른 X선 발생 기술에 비해 최대 X선 출력을 수십 배까지 높일 수 있어, 고출력이 요구되는 비선형 분광학 및 단일 입자 회절 이미징 분야로 X선의 응용 분야를 확장합니다. 최근 성공적으로 개발된 아토초 XFEL은 아토초 과학 및 기술 분야의 주요 성과로, 벤치탑 X선 소스에 비해 최대 출력이 6배 이상 향상되었습니다.

자유 전자 레이저상대론적 전자빔과 자기 발진기의 연속적인 상호작용으로 인해 발생하는 집단 불안정성을 이용하여 자발 방출 준위보다 수십 배 높은 펄스 에너지를 얻을 수 있습니다. 경 X선 영역(파장 약 0.01nm ~ 0.1nm)에서 FEL은 다발 압축 및 후포화 코닝(post-saturation coning) 기법을 통해 구현됩니다. 연 X선 영역(파장 약 0.1nm ~ 10nm)에서 FEL은 캐스케이드 프레시 슬라이스(cascade fresh-slice) 기술을 통해 구현됩니다. 최근에는 강화 자기 증폭 자발 방출(ESASE) 기법을 사용하여 최대 전력 100GW의 아토초 펄스를 생성하는 것이 보고되었습니다.

연구팀은 XFEL 기반의 2단계 증폭 시스템을 사용하여 선형 가속기 코히어런트에서 출력되는 소프트 X선 아토초 펄스를 증폭했습니다.광원TW 수준으로, 보고된 결과보다 한 자릿수 개선.실험 설정은 그림 1에 나와 있습니다.ESASE 방법을 기반으로, 광전 음극 방출기는 높은 전류 스파이크를 갖는 전자 빔을 얻도록 변조되고, 아토초 X선 펄스를 생성하는 데 사용됩니다.초기 펄스는 그림 1의 왼쪽 상단 모서리에 표시된 것처럼 전자 빔 스파이크의 앞쪽 가장자리에 위치합니다.XFEL이 포화에 도달하면 전자 빔은 자기 압축기에 의해 X선에 비해 지연되고, 그런 다음 펄스는 ESASE 변조 또는 FEL 레이저에 의해 변경되지 않은 전자 빔(신선 슬라이스)과 상호 작용합니다.마지막으로, 두 번째 자기 언듈레이터는 아토초 펄스와 신선 슬라이스의 상호 작용을 통해 X선을 더욱 증폭하는 데 사용됩니다.

그림 1 실험 장치 다이어그램; 이 그림은 종방향 위상 공간(전자의 시간-에너지 다이어그램, 녹색), 전류 프로파일(파란색), 그리고 1차 증폭에 의해 생성된 복사선(보라색)을 보여줍니다. XTCAV, X-밴드 횡단 공동; cVMI, 동축 고속 매핑 이미징 시스템; FZP, 프레넬 밴드 플레이트 분광기

모든 아토초 펄스는 잡음으로 구성되므로 각 펄스는 서로 다른 스펙트럼 및 시간 영역 특성을 가지는데, 연구진은 이를 더욱 자세히 탐구했습니다. 스펙트럼 측면에서, 프레넬 밴드 플레이트 분광기를 사용하여 서로 다른 등가 언듈레이터 길이에서 개별 펄스의 스펙트럼을 측정한 결과, 이 스펙트럼이 2차 증폭 후에도 매끄러운 파형을 유지함을 확인했습니다. 이는 펄스가 단봉형임을 나타냅니다. 시간 영역에서는 각 변연부를 측정하고 펄스의 시간 영역 파형을 특성화합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, X선 펄스는 원편광된 적외선 레이저 펄스와 중첩됩니다. X선 펄스에 의해 이온화된 광전자는 적외선 레이저의 벡터 퍼텐셜과 반대 방향으로 줄무늬를 생성합니다. 레이저의 전기장은 시간에 따라 회전하기 때문에 광전자의 운동량 분포는 전자 방출 시간에 의해 결정되며, 방출 시간의 각 모드와 광전자의 운동량 분포 사이의 관계가 확립됩니다. 광전자 운동량 분포는 동축 고속 매핑 영상 분광기를 사용하여 측정합니다. 분포 및 스펙트럼 결과를 바탕으로 아토초 펄스의 시간 영역 파형을 재구성할 수 있습니다. 그림 2(a)는 펄스 지속 시간 분포를 보여주며, 중앙값은 440µs입니다. 마지막으로, 가스 모니터링 검출기를 사용하여 펄스 에너지를 측정하고, 그림 2(b)와 같이 펄스 피크 전력과 펄스 지속 시간 간의 산점도를 계산했습니다. 세 가지 구성은 서로 다른 전자빔 집속 조건, 웨이버 코닝 조건, 자기 압축기 지연 조건에 해당합니다. 세 가지 구성 모두 평균 펄스 에너지가 각각 150, 200, 260µJ였으며, 최대 피크 전력은 1.1TW였습니다.

그림 2. (a) 반높이 전폭(FWHM) 펄스 지속 시간의 분포 히스토그램; (b) 피크 전력 및 펄스 지속 시간에 해당하는 산점도

또한, 본 연구는 X선 대역에서 솔리톤 유사 중첩 방출 현상을 최초로 관찰했습니다. 이는 증폭 과정에서 펄스가 연속적으로 짧아지는 형태로 나타납니다. 이는 전자와 방사선 사이의 강력한 상호작용으로 인해 발생하며, 에너지는 전자에서 X선 ​​펄스의 앞부분으로 빠르게 전달되고, 펄스 끝부분에서 다시 전자로 되돌아옵니다. 이 현상에 대한 심층 연구를 통해, 초복사 증폭 과정을 확장하고 솔리톤 유사 모드에서 펄스가 짧아지는 현상을 활용함으로써, 더 짧은 지속 시간과 더 높은 피크 전력을 가진 X선 펄스를 더욱 구현할 수 있을 것으로 기대됩니다.