TW급 아토초 X선 펄스 레이저

TW급 아토초 X선 펄스 레이저
아토초 엑스레이펄스 레이저높은 전력과 짧은 펄스 지속 시간은 초고속 비선형 분광학 및 X선 회절 이미징을 달성하는 데 핵심입니다. 미국 연구팀은 2단 캐스케이드 방식을 사용했다.X선 자유 전자 레이저이산 아토초 펄스를 출력합니다. 기존 보고서와 비교하여 펄스의 평균 피크 전력은 한 단계씩 증가하고 최대 피크 전력은 1.1TW이며 중간 에너지는 100μJ 이상입니다. 이 연구는 또한 X선 분야에서 솔리톤과 같은 초복사 거동에 대한 강력한 증거를 제공합니다.고에너지 레이저고전자장 물리학, 아토초 분광학, 레이저 입자 가속기를 포함한 많은 새로운 연구 분야를 주도해 왔습니다. 모든 종류의 레이저 중에서 엑스레이는 의료 진단, 산업 결함 탐지, 안전 검사 및 과학 연구에 널리 사용됩니다. XFEL(X선 자유 전자 레이저)은 다른 X선 생성 기술에 비해 최대 X선 출력을 몇 배나 증가시킬 수 있으므로 X선의 응용 범위를 비선형 분광학 및 단일-선 분광학 분야로 확장합니다. 높은 전력이 필요한 입자 회절 이미징. 최근 성공적인 아토초 XFEL은 아토초 과학 및 기술 분야의 주요 성과로, 벤치탑 X선 소스에 비해 사용 가능한 피크 전력을 6배 이상 증가시켰습니다.

자유 전자 레이저상대론적 전자빔의 방사선장과 자기진동자의 지속적인 상호작용으로 인해 발생하는 집합적 불안정성을 이용하여 자발방출 준위보다 훨씬 높은 크기의 펄스 에너지를 얻을 수 있습니다. 하드 X선 범위(약 0.01nm ~ 0.1nm 파장)에서 FEL은 번들 압축 및 포화 후 코닝 기술을 통해 달성됩니다. 연X선 범위(약 0.1nm ~ 10nm 파장)에서 FEL은 캐스케이드 프레시 슬라이스 기술을 통해 구현됩니다. 최근 ESASE(Enhanced Self-Amplified Spontaneous Emission) 방법을 사용하여 피크 전력 100GW의 아토초 펄스가 생성되는 것으로 보고되었습니다.

연구팀은 linac coherent에서 출력되는 연X선 아토초 펄스를 증폭하기 위해 XFEL 기반의 2단계 증폭 시스템을 사용했습니다.광원TW 수준에서는 보고된 결과보다 훨씬 개선되었습니다. 실험 설정은 그림 1에 나와 있습니다. ESASE 방법을 기반으로 광음극 이미터는 고전류 스파이크가 있는 전자빔을 얻기 위해 변조되고 아토초 X선 펄스를 생성하는 데 사용됩니다. 초기 펄스는 그림 1의 왼쪽 상단에 표시된 것처럼 전자빔 스파이크의 앞쪽 가장자리에 위치합니다. XFEL이 포화에 도달하면 전자빔은 자기 압축기에 의해 X선에 비해 지연됩니다. 그런 다음 펄스는 ESASE 변조 또는 FEL 레이저에 의해 수정되지 않은 전자 빔(신선한 슬라이스)과 상호 작용합니다. 마지막으로 두 번째 자기 언듈레이터는 아토초 펄스와 새로운 슬라이스의 상호 작용을 통해 X선을 더욱 증폭시키는 데 사용됩니다.

무화과. 1 실험 장치 다이어그램; 그림은 세로 위상 공간(전자의 시간-에너지 다이어그램, 녹색), 전류 프로파일(파란색) 및 1차 증폭에 의해 생성된 방사선(보라색)을 보여줍니다. XTCAV, X-밴드 가로 공동; cVMI, 동축 고속 매핑 이미징 시스템; FZP, 프레넬 밴드 플레이트 분광기

모든 아토초 펄스는 잡음으로 만들어지므로 각 펄스는 서로 다른 스펙트럼 및 시간 영역 특성을 가지며, 연구원들은 이를 더 자세히 조사했습니다. 스펙트럼 측면에서 그들은 프레넬 밴드 플레이트 분광계를 사용하여 서로 다른 등가 언듈레이터 길이에서 개별 펄스의 스펙트럼을 측정했으며 이러한 스펙트럼이 2차 증폭 후에도 부드러운 파형을 유지한다는 사실을 발견했습니다. 이는 펄스가 단봉으로 유지되었음을 나타냅니다. 시간 영역에서는 각도 무늬가 측정되고 펄스의 시간 영역 파형이 특성화됩니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 X선 펄스는 원편광 적외선 레이저 펄스와 중첩됩니다. X선 펄스에 의해 이온화된 광전자는 적외선 레이저의 벡터 전위와 반대 방향으로 줄무늬를 생성합니다. 레이저의 전기장은 시간에 따라 회전하기 때문에 광전자의 운동량 분포는 전자 방출 시간에 따라 결정되며, 방출 시간의 각도 모드와 광전자의 운동량 분포 사이의 관계가 성립됩니다. 광전자 운동량의 분포는 동축 고속 매핑 이미징 분광계를 사용하여 측정됩니다. 분포 및 스펙트럼 결과를 기반으로 아토초 펄스의 시간 영역 파형을 재구성할 수 있습니다. 그림 2(a)는 중앙값이 440 as인 펄스 지속 시간의 분포를 보여줍니다. 마지막으로 가스 모니터링 감지기를 사용하여 펄스 에너지를 측정하고 그림 2 (b)와 같이 피크 펄스 전력과 펄스 지속 시간 사이의 산점도를 계산했습니다. 세 가지 구성은 서로 다른 전자빔 포커싱 조건, 웨이브 코닝 조건 및 자기 압축기 지연 조건에 해당합니다. 세 가지 구성은 각각 150, 200 및 260μJ의 평균 펄스 에너지를 산출했으며 최대 피크 전력은 1.1TW였습니다.

그림 2. (a) 절반 높이 전체 폭(FWHM) 펄스 지속 시간의 분포 히스토그램; (b) 피크 전력 및 펄스 지속 시간에 해당하는 산점도

또한, 이번 연구에서는 증폭 과정에서 지속적인 펄스 단축으로 나타나는 X선 대역에서 솔리톤형 슈퍼방출 현상도 처음으로 관찰됐다. 이는 전자와 방사선 사이의 강한 상호작용으로 인해 발생하며, 에너지는 전자에서 X선 ​​펄스의 머리 부분으로 빠르게 전달되고 펄스의 꼬리 부분에서 전자로 다시 전달됩니다. 이 현상에 대한 심층적인 연구를 통해 초복사 증폭 과정을 확장하고 솔리톤형 모드에서 펄스 단축을 활용함으로써 더 짧은 지속 시간과 더 높은 피크 전력을 갖는 X선 펄스를 더욱 실현할 수 있을 것으로 기대됩니다.