TW급 아토초 X선 펄스 레이저

TW급 아토초 X선 펄스 레이저
아토초 X선펄스 레이저높은 출력과 짧은 펄스 지속 시간은 초고속 비선형 분광학 및 X선 회절 이미징을 구현하는 데 핵심적인 요소입니다. 미국 연구팀은 2단계 펄스 증폭기를 직렬로 연결한 방식을 사용했습니다.X선 자유 전자 레이저이 연구에서는 아토초 단위의 이산 펄스를 출력했습니다. 기존 연구 결과와 비교했을 때, 펄스의 평균 피크 전력은 한 자릿수 증가했으며, 최대 피크 전력은 1.1 TW, 중간 에너지는 100 μJ 이상입니다. 또한, 이 연구는 X선 영역에서 솔리톤과 유사한 초방사 현상에 대한 강력한 증거를 제시합니다.고에너지 레이저X선은 고자기장 물리학, 아토초 분광학, 레이저 입자 가속기 등 여러 새로운 연구 분야를 개척해 왔습니다. 다양한 레이저 중에서도 X선은 의료 진단, 산업 결함 탐지, 안전 검사 및 과학 연구에 널리 사용됩니다. X선 자유 전자 레이저(XFEL)는 다른 X선 발생 기술에 비해 X선 피크 출력을 수십 배 이상 높일 수 있어 고출력이 요구되는 비선형 분광학 및 단일 입자 회절 이미징 분야로 X선의 응용 범위를 확장했습니다. 최근 성공적으로 개발된 아토초 XFEL은 아토초 과학 기술 분야에서 중요한 성과로, 기존의 탁상용 X선 소스에 비해 피크 출력을 6배 이상 증가시켰습니다.

자유 전자 레이저자유전자레이저(FEL)는 상대론적 전자빔과 자기 발진기 내 복사장의 지속적인 상호작용으로 발생하는 집단적 불안정성을 이용하여 자발 방출 수준보다 수십 배 높은 펄스 에너지를 얻을 수 있습니다. 경X선 영역(약 0.01nm ~ 0.1nm 파장)에서는 번들 압축 및 포화 후 원추형 확장 기술을 통해 FEL을 구현합니다. 연X선 영역(약 0.1nm ~ 10nm 파장)에서는 캐스케이드 프레시 슬라이스 기술을 통해 FEL을 구현합니다. 최근에는 향상된 자가 증폭 자발 방출(ESASE) 방법을 사용하여 100GW의 피크 출력을 갖는 아토초 펄스를 생성했다는 보고가 있습니다.

연구팀은 XFEL 기반의 2단계 증폭 시스템을 사용하여 선형 가속기에서 출력되는 연엑스선 아토초 펄스를 증폭했습니다.광원TW 수준까지 향상되어 기존 결과 대비 10배 이상 개선되었습니다. 실험 장치는 그림 1에 나와 있습니다. ESASE 방식을 기반으로 광음극 방출기를 변조하여 높은 전류 스파이크를 갖는 전자빔을 얻고, 이를 이용하여 아토초 X선 펄스를 생성합니다. 초기 펄스는 그림 1의 왼쪽 상단에 표시된 것처럼 전자빔 스파이크의 앞쪽 가장자리에 위치합니다. XFEL이 포화 상태에 도달하면 자기 압축기를 통해 전자빔을 X선에 대해 지연시키고, ESASE 변조나 FEL 레이저에 의해 변형되지 않은 전자빔(새로운 슬라이스)과 펄스가 상호작용합니다. 마지막으로, 두 번째 자기 언듈레이터를 사용하여 아토초 펄스와 새로운 슬라이스의 상호작용을 통해 X선을 추가로 증폭합니다.

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

모든 아토초 펄스는 노이즈로 구성되어 있기 때문에 각 펄스는 서로 다른 스펙트럼 및 시간 영역 특성을 가지며, 연구진은 이를 더욱 자세히 탐구했습니다. 스펙트럼 측면에서, 연구진은 프레넬 밴드 플레이트 분광기를 사용하여 서로 다른 등가 언듈레이터 길이에서 개별 펄스의 스펙트럼을 측정했고, 2차 증폭 후에도 스펙트럼이 매끄러운 파형을 유지하는 것을 확인하여 펄스가 단일 모드임을 나타냈습니다. 시간 영역에서는 각도 간섭무늬를 측정하고 펄스의 시간 영역 파형을 분석했습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, X선 펄스는 원형 편광된 적외선 레이저 펄스와 중첩되어 있습니다. X선 펄스에 의해 이온화된 광전자들은 적외선 레이저의 벡터 포텐셜과 반대 방향으로 줄무늬를 생성합니다. 레이저의 전기장은 시간에 따라 회전하기 때문에 광전자의 운동량 분포는 전자 방출 시간에 의해 결정되며, 방출 시간의 각도 모드와 광전자의 운동량 분포 사이의 관계를 규명했습니다. 동축 고속 매핑 이미징 분광기를 사용하여 광전자 운동량 분포를 측정했습니다. 분포 및 스펙트럼 결과를 기반으로 아토초 펄스의 시간 영역 파형을 재구성할 수 있습니다. 그림 2(a)는 펄스 지속 시간 분포를 보여주며, 중앙값은 440 아토초입니다. 마지막으로, 가스 모니터링 검출기를 사용하여 펄스 에너지를 측정하고, 그림 2(b)와 같이 피크 펄스 전력과 펄스 지속 시간 사이의 산점도를 계산했습니다. 세 가지 구성은 각각 다른 전자빔 초점 조건, 웨이버 코닝 조건 및 자기 압축기 지연 조건에 해당합니다. 세 가지 구성에서 평균 펄스 에너지는 각각 150, 200, 260 µJ였으며, 최대 피크 전력은 1.1 TW였습니다.

그림 2. (a) 펄스 지속 시간의 반높이 전체 폭(FWHM) 분포 히스토그램; (b) 피크 전력과 펄스 지속 시간에 대한 산점도

또한, 본 연구에서는 X선 대역에서 솔리톤 유사 초방출 현상을 최초로 관찰하였다. 이는 증폭 과정에서 펄스 길이가 연속적으로 짧아지는 현상으로, 전자와 방사선 사이의 강한 상호작용으로 인해 에너지가 전자에서 X선 ​​펄스의 앞부분으로, 그리고 뒷부분에서 다시 전자로 빠르게 전달되는 데서 비롯된다. 이 현상에 대한 심층적인 연구를 통해 초방사 증폭 공정을 확장하고 솔리톤 유사 모드에서의 펄스 길이 단축을 활용함으로써, 펄스 지속 시간이 더 짧고 피크 출력이 더 높은 X선 펄스를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.