'Trojansk hest' injektionsmetode muliggør ultrakompakt røntgenfri-elektronlaser

X-ray free-electron lasers (XFEL'er) bruges til at skabe ekstreme stofforhold, hvilket muliggør grundlæggende forskning inden for områder som materialevidenskab, forskning i varm-tæt stof og udvikling af lægemidler. I øjeblikket er sådanne lasere giganter, der kræver opsætninger i kilometerskala, der koster milliarder. Forskere ved Strathclyde University i Storbritannien har nu fremlagt en ny plan for en miniaturiseret XFEL baseret på en plasma wakefield accelerator (PWFA). Enheden, som kun ville være et par meter i størrelse, kunne varsle fremkomsten af ​​næste generation af ultrakompakte XFEL'er, siger de.

"FEL'er indeholder en relativistisk elektronstråle, der svinger på en sinusformet bane inde i en 'undulator' med et vekslende magnetfelt," forklarer ledende forsker Fahim Habib. "Som et resultat af den slingrende bevægelse udsender elektronstrålen udbrud af fotoner, og en positiv feedback-effekt strukturerer elektronstrålen i mikrobundter ved strålingsbølgelængden."

Resultatet af denne samling er, at strålingseffekten vokser eksponentielt langs undulatoren og bliver meget sammenhængende. Denne selvorganiserende effekt kan dog kun forekomme, hvis elektronstrålen er af høj kvalitet ved relativistiske energier. En sådan høj strålekvalitet opnås i dag ved hjælp af lineære acceleratorer (linacs), som gør XFEL'erne kilometer lange.

Plasma-baserede acceleratorer

Plasma-baserede acceleratorer kunne producere sådanne multi-gigaelectronvolt (GeV) stråler på meget kortere afstande, på kun centimeter, med strålekvaliteter, der nærmer sig dem, der kræves til XFEL'er. Habib og kolleger har nu vist, at elektronstråler fra plasmafotokatoder kan være meget lysere end dem, der produceres i linacs og kan produceres i en PWFA.

Wakefield-acceleratorer fungerer ved at affyre en tæt stråle af ladede partikler som elektroner ind i et stationært plasma (i det væsentlige en gas af ioniserede partikler). Elektronstrålen adskiller negative ladninger (elektroner) fra de stationære baggrundsioner i målet og skaber en kort efterfølgende plasmabølge. Det elektriske felt, der er forbundet med denne plasmabølge, accelererer ladede partikler, der følger efter i dens kølvand, hvilket er derfra udtrykket wakefield kommer. Hvis en bagende flok ladede partikler er timet korrekt, kan den surfe på denne bølge og accelereres stejlt - til kinetiske energier af GeV over afstande på kun få centimeter. Alligevel er strålekvaliteten langt fra den, der kræves for XFEL'er

Den avancerede PWFA udviklet af Habib og kolleger er udstyret med en ny elektroninjektionsmetode kaldet en plasmafotokatode (alias den "trojanske hest") og kan producere elektronstråler 100,000 gange lysere end dem i linacs takket være strålernes lave momentumspredningsfordeling.

Hele systemet er kun få meter stort

I deres arbejde, som er detaljeret i Nature Communications, undersøgte forskerne, hvordan man udvinder, transporterer, isolerer og injicerer elektronstrålerne med ultrahøj lysstyrke fra plasmafotokatoden PWFA i en undulator uden ladning og kvalitetstab. "Fokuseret ind i en undulator producerer elektronstrålen af ​​ultrahøj kvalitet kraftige kohærente fotonimpulser ved Angstrom-bølgelængder på farten med en pulsvarighed på attosekundniveau," forklarer Habib. "Det fascinerende er, at hele systemet kun er få meter i størrelse sammenlignet med avancerede kilometer-størrelse XFEL-maskiner."

UK starter designarbejdet for en røntgenfri-elektronlaser

"Selvom der er meget arbejde forude, er vores resultater de første milepæle hen imod næste generation af ultrakompakte XFEL'er. Vores vision er at fremme denne teknologi til et standardværktøj til laboratorier på universitetsniveau eller endda hospitaler,” fortæller Habib Fysik verden.

"Det første eksperimentelle bevis for plasmafotokatode-injektion i PWFA blev opnået i vores trojanske hest samarbejde på vores strategiske partner Stanfords SLAC FACET-anlæg,” tilføjer teamleder Bernhard Hidding. "Nu, med vores program på efterfølgeren, SLAC FACET-II, vi sigter mod at udnytte ordningens sande potentiale med hensyn til strålekvalitet og stabilitet."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/trojan-horse-injection-method-enables-ultracompact-x-ray-free-electron-laser/