A „trójai faló” injekciós módszer ultrakompakt röntgen-szabadelektron-lézert tesz lehetővé

A röntgensugaras szabadelektron-lézereket (XFEL-eket) szélsőséges anyagviszonyok létrehozására használják, lehetővé téve az alapkutatást olyan területeken, mint az anyagtudomány, a forró sűrű anyagok kutatása és a gyógyszerfejlesztés. Jelenleg az ilyen lézerek behemótok, kilométeres méretű, milliárdokba kerülő beállításokat igényelnek. Kutatók a Strathclyde Egyetem Az Egyesült Királyságban új tervezetet terjesztettek elő egy miniatürizált XFEL-hez, amely plazma wakefield gyorsítón (PWFA) alapul. A mindössze néhány méter méretű eszköz a következő generációs ultrakompakt XFEL-ek megjelenését hirdetheti.

"A FEL-ek relativisztikus elektronsugarat tartalmaznak, amely szinuszos pályán lengő egy "hullámban" váltakozó mágneses térrel" - magyarázza a kutató. Fahim Habib. "Az ingadozó mozgás eredményeként az elektronsugár fotonkitöréseket bocsát ki, és egy pozitív visszacsatolási hatás az elektronsugarat a sugárzási hullámhosszon mikrocsomókba strukturálja."

Ennek az összevonásnak az eredménye, hogy a sugárzási teljesítmény exponenciálisan növekszik a hullámzó mentén, és nagyon koherenssé válik. Ez az önszervező hatás azonban csak akkor léphet fel, ha az elektronsugár jó minőségű relativisztikus energiák mellett. Az ilyen magas sugárminőséget ma lineáris gyorsítókkal (linacs) érik el, amelyek az XFEL-eket kilométeres hosszúságúvá teszik.

Plazma alapú gyorsítók

A plazmaalapú gyorsítók sokkal rövidebb, mindössze centiméteres távolságokon képesek ilyen több gigaelektronvoltos (GeV) nyalábokat előállítani, amelyek sugárzási minősége megközelíti az XFEL-ekhez szükségeset. Habib és munkatársai most kimutatták, hogy a plazmafotokatódokból származó elektronsugarak sokkal fényesebbek lehetnek, mint a linacokban keletkező elektronsugarak, és PWFA-ban is előállíthatók.

A Wakefield gyorsítók úgy működnek, hogy töltött részecskékből, például elektronokból álló sűrű sugarat lőnek ki egy álló plazmába (lényegében ionizált részecskékből álló gázba). Az elektronsugár elválasztja a negatív töltéseket (elektronokat) a célpontban lévő stacionárius háttérionoktól, rövid utóplazmahullámot hozva létre. Az ehhez a plazmahullámhoz kapcsolódó elektromos tér felgyorsítja a töltött részecskéket, amelyek a nyomában haladnak, innen ered a wakefield kifejezés. Ha egy sor töltött részecskét megfelelően időzítünk, akkor képes átfutni ezen a hullámon, és meredeken felgyorsulhat – a GeV kinetikus energiáira néhány centiméteres távolságban. A sugár minősége azonban messze van az XFEL-ekhez szükségestől

A Habib és munkatársai által kifejlesztett fejlett PWFA egy új elektroninjektálási módszerrel van felszerelve, amelyet plazma fotokatódnak (más néven „trójai falónak”) neveznek, és a nyalábok alacsony impulzusterjedési eloszlásának köszönhetően 100,000 XNUMX-szer fényesebb elektronsugarat képes előállítani, mint a linacokban.

A teljes rendszer mindössze néhány méteres

Munkájukban, amelyet részletesen a Nature CommunicationsA kutatók azt tanulmányozták, hogyan lehet a PWFA plazmafotokatód ultranagy fényerejű elektronsugarait töltés és minőségromlás nélkül kivonni, szállítani, izolálni és injektálni egy hullámzóba. „A hullámzóba fókuszálva az ultrakiváló minőségű elektronsugár erőteljes koherens fotonimpulzusokat állít elő Angstrom hullámhosszon menet közben, és az impulzus időtartama attoszekundumos szinten van” – magyarázza Habib. „A lenyűgöző rész az, hogy a teljes rendszer mindössze néhány méter méretű a legmodernebb, kilométeres méretű XFEL gépekhez képest.”

Az Egyesült Királyságban megkezdődik a röntgen-szabadelektron-lézer tervezési munkája

„Bár sok munka áll még előttünk, eredményeink az első mérföldkövek a következő generációs ultrakompakt XFEL-ek felé. Célunk, hogy ezt a technológiát az egyetemi laboratóriumok vagy akár kórházak szabványos eszközévé tegyük” – mondja Habib Fizika Világa.

„Az első kísérleti bizonyítékot a plazma fotokatód PWFA-ba való befecskendezésére a mi trójai falónkban szereztük meg együttműködés stratégiai partnerünk, Stanford SLAC FACET létesítményében” – teszi hozzá Bernhard Hidding csapatvezető. „Most, a programunkkal az utódtelepen, SLAC FACET-II, arra törekszünk, hogy kiaknázzuk a rendszerben rejlő valódi lehetőségeket a gerenda minősége és stabilitása tekintetében.”

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/trojan-horse-injection-method-enables-ultracompact-x-ray-free-electron-laser/