TW ക്ലാസ് അറ്റോസെക്കൻഡ് എക്സ്-റേ പൾസ് ലേസർ

TW ക്ലാസ് അറ്റോസെക്കൻഡ് എക്സ്-റേ പൾസ് ലേസർ
അറ്റോസെക്കൻഡ് എക്സ്-റേപൾസ് ലേസർഉയർന്ന പവറും കുറഞ്ഞ പൾസ് ദൈർഘ്യവുമാണ് അൾട്രാഫാസ്റ്റ് നോൺലീനിയർ സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പിയും എക്സ്-റേ ഡിഫ്രാക്ഷൻ ഇമേജിംഗും നേടുന്നതിനുള്ള താക്കോൽ. യുണൈറ്റഡ് സ്റ്റേറ്റ്സിലെ ഗവേഷണ സംഘം രണ്ട്-ഘട്ടഎക്സ്-റേ രഹിത ഇലക്ട്രോൺ ലേസറുകൾഡിസ്ക്രീറ്റ് അറ്റോസെക്കൻഡ് പൾസുകൾ ഔട്ട്പുട്ട് ചെയ്യുന്നതിന്. നിലവിലുള്ള റിപ്പോർട്ടുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, പൾസുകളുടെ ശരാശരി പീക്ക് പവർ മാഗ്നിറ്റ്യൂഡ് ക്രമത്തിൽ വർദ്ധിക്കുന്നു, പരമാവധി പീക്ക് പവർ 1.1 TW ആണ്, മീഡിയൻ എനർജി 100 μJ-ൽ കൂടുതലാണ്. എക്സ്-റേ ഫീൽഡിൽ സോളിറ്റോൺ പോലുള്ള സൂപ്പർറേഡിയേഷൻ സ്വഭാവത്തിന് ശക്തമായ തെളിവുകളും പഠനം നൽകുന്നു.ഉയർന്ന ഊർജ്ജ ലേസറുകൾഹൈ-ഫീൽഡ് ഫിസിക്സ്, അറ്റോസെക്കൻഡ് സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പി, ലേസർ കണികാ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ എന്നിവയുൾപ്പെടെ നിരവധി പുതിയ ഗവേഷണ മേഖലകൾക്ക് നേതൃത്വം നൽകിയിട്ടുണ്ട്. എല്ലാത്തരം ലേസറുകളിലും, എക്സ്-റേകൾ മെഡിക്കൽ ഡയഗ്നോസിസ്, വ്യാവസായിക പിഴവ് കണ്ടെത്തൽ, സുരക്ഷാ പരിശോധന, ശാസ്ത്രീയ ഗവേഷണം എന്നിവയിൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. മറ്റ് എക്സ്-റേ ജനറേഷൻ സാങ്കേതികവിദ്യകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ എക്സ്-റേ ഫ്രീ-ഇലക്ട്രോൺ ലേസർ (XFEL) പീക്ക് എക്സ്-റേ പവർ നിരവധി ഓർഡറുകൾ വർദ്ധിപ്പിക്കും, അങ്ങനെ ഉയർന്ന പവർ ആവശ്യമുള്ള നോൺ-ലീനിയർ സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പി, സിംഗിൾ-പാർട്ടിക്കിൾ ഡിഫ്രാക്ഷൻ ഇമേജിംഗ് മേഖലയിലേക്ക് എക്സ്-റേകളുടെ പ്രയോഗം വ്യാപിപ്പിക്കുന്നു. ബെഞ്ച്ടോപ്പ് എക്സ്-റേ സ്രോതസ്സുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ ലഭ്യമായ പീക്ക് പവർ ആറ് ഓർഡറുകളിൽ കൂടുതൽ വർദ്ധിപ്പിക്കുന്ന അറ്റോസെക്കൻഡ് എക്സ്എഫ്ഇഎൽ അറ്റോസെക്കൻഡ് ശാസ്ത്ര സാങ്കേതിക വിദ്യയിലെ ഒരു പ്രധാന നേട്ടമാണ്.

സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോൺ ലേസറുകൾകൂട്ടായ അസ്ഥിരത ഉപയോഗിച്ച് സ്വതസിദ്ധമായ ഉദ്‌വമന നിലയേക്കാൾ ഉയർന്ന അളവിലുള്ള പൾസ് ഊർജ്ജങ്ങൾ നേടാൻ കഴിയും, ഇത് ആപേക്ഷിക ഇലക്ട്രോൺ ബീമിലും മാഗ്നറ്റിക് ഓസിലേറ്ററിലും റേഡിയേഷൻ ഫീൽഡിന്റെ തുടർച്ചയായ പ്രതിപ്രവർത്തനം മൂലമാണ് സംഭവിക്കുന്നത്. ഹാർഡ് എക്സ്-റേ ശ്രേണിയിൽ (ഏകദേശം 0.01 nm മുതൽ 0.1 nm വരെ തരംഗദൈർഘ്യം), ബണ്ടിൽ കംപ്രഷൻ, പോസ്റ്റ്-സാച്ചുറേഷൻ കോണിംഗ് ടെക്നിക്കുകൾ എന്നിവയിലൂടെയാണ് FEL നേടുന്നത്. സോഫ്റ്റ് എക്സ്-റേ ശ്രേണിയിൽ (ഏകദേശം 0.1 nm മുതൽ 10 nm വരെ തരംഗദൈർഘ്യം), കാസ്കേഡ് ഫ്രഷ്-സ്ലൈസ് സാങ്കേതികവിദ്യ ഉപയോഗിച്ചാണ് FEL നടപ്പിലാക്കുന്നത്. അടുത്തിടെ, 100 GW പീക്ക് പവർ ഉള്ള അറ്റോസെക്കൻഡ് പൾസുകൾ എൻഹാൻസ്ഡ് സെൽഫ്-ആംപ്ലിഫൈഡ് സ്പാറ്റോണിയസ് എമിഷൻ (ESASE) രീതി ഉപയോഗിച്ച് സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുന്നതായി റിപ്പോർട്ട് ചെയ്യപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്.

ലിനാക് കോഹെറന്റ് പൾസിൽ നിന്നുള്ള സോഫ്റ്റ് എക്സ്-റേ അറ്റോസെക്കൻഡ് പൾസ് ഔട്ട്പുട്ട് വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിന് ഗവേഷണ സംഘം XFEL അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള രണ്ട്-ഘട്ട ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ സിസ്റ്റം ഉപയോഗിച്ചു.പ്രകാശ സ്രോതസ്സ്റിപ്പോർട്ട് ചെയ്ത ഫലങ്ങളെ അപേക്ഷിച്ച് മാഗ്നിറ്റ്യൂഡ് മെച്ചപ്പെടുത്തലിന്റെ ഒരു ക്രമം TW ലെവലിലേക്ക്. പരീക്ഷണാത്മക സജ്ജീകരണം ചിത്രം 1 ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. ESASE രീതിയെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, ഉയർന്ന കറന്റ് സ്പൈക്കുള്ള ഒരു ഇലക്ട്രോൺ ബീം ലഭിക്കുന്നതിന് ഫോട്ടോകാത്തോഡ് എമിറ്റർ മോഡുലേറ്റ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു, കൂടാതെ അറ്റോസെക്കൻഡ് എക്സ്-റേ പൾസുകൾ സൃഷ്ടിക്കാൻ ഇത് ഉപയോഗിക്കുന്നു. ചിത്രം 1 ന്റെ മുകളിൽ ഇടത് മൂലയിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ഇലക്ട്രോൺ ബീമിന്റെ സ്പൈക്കിന്റെ മുൻവശത്താണ് പ്രാരംഭ പൾസ് സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നത്. XFEL സാച്ചുറേഷൻ എത്തുമ്പോൾ, ഒരു മാഗ്നറ്റിക് കംപ്രസ്സർ ഉപയോഗിച്ച് ഇലക്ട്രോൺ ബീം എക്സ്-റേയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ വൈകുന്നു, തുടർന്ന് ESASE മോഡുലേഷൻ അല്ലെങ്കിൽ FEL ലേസർ പരിഷ്കരിക്കാത്ത ഇലക്ട്രോൺ ബീമുമായി (ഫ്രഷ് സ്ലൈസ്) പൾസ് സംവദിക്കുന്നു. അവസാനമായി, പുതിയ സ്ലൈസുമായുള്ള അറ്റോസെക്കൻഡ് പൾസുകളുടെ പ്രതിപ്രവർത്തനത്തിലൂടെ എക്സ്-റേകളെ കൂടുതൽ വർദ്ധിപ്പിക്കാൻ രണ്ടാമത്തെ മാഗ്നറ്റിക് അൺഡുലേറ്റർ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ചിത്രം 1 പരീക്ഷണാത്മക ഉപകരണ ഡയഗ്രം; ചിത്രീകരണം രേഖാംശ ഘട്ടം സ്ഥലം (ഇലക്ട്രോണിന്റെ സമയ-ഊർജ്ജ ഡയഗ്രം, പച്ച), നിലവിലെ പ്രൊഫൈൽ (നീല), ഫസ്റ്റ്-ഓർഡർ ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ വഴി ഉൽ‌പാദിപ്പിക്കുന്ന വികിരണം (പർപ്പിൾ) എന്നിവ കാണിക്കുന്നു. XTCAV, എക്സ്-ബാൻഡ് തിരശ്ചീന അറ; cVMI, കോക്സിയൽ റാപ്പിഡ് മാപ്പിംഗ് ഇമേജിംഗ് സിസ്റ്റം; FZP, ഫ്രെസ്നെൽ ബാൻഡ് പ്ലേറ്റ് സ്പെക്ട്രോമീറ്റർ

എല്ലാ അറ്റോസെക്കൻഡ് പൾസുകളും ശബ്ദത്തിൽ നിന്നാണ് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്, അതിനാൽ ഓരോ പൾസിനും വ്യത്യസ്ത സ്പെക്ട്രൽ, ടൈം-ഡൊമെയ്ൻ ഗുണങ്ങളുണ്ട്, ഗവേഷകർ ഇത് കൂടുതൽ വിശദമായി പരിശോധിച്ചു. സ്പെക്ട്രയുടെ കാര്യത്തിൽ, വ്യത്യസ്ത തുല്യമായ അൺഡുലേറ്റർ നീളങ്ങളിൽ വ്യക്തിഗത പൾസുകളുടെ സ്പെക്ട്ര അളക്കാൻ അവർ ഒരു ഫ്രെസ്നെൽ ബാൻഡ് പ്ലേറ്റ് സ്പെക്ട്രോമീറ്റർ ഉപയോഗിച്ചു, ദ്വിതീയ ആംപ്ലിഫിക്കേഷനുശേഷവും ഈ സ്പെക്ട്ര സുഗമമായ തരംഗരൂപങ്ങൾ നിലനിർത്തുന്നുവെന്ന് കണ്ടെത്തി, ഇത് പൾസുകൾ ഏകീകൃതമായി തുടരുന്നുവെന്ന് സൂചിപ്പിക്കുന്നു. സമയ ഡൊമെയ്നിൽ, കോണീയ ഫ്രിഞ്ച് അളക്കുകയും പൾസിന്റെ സമയ ഡൊമെയ്ൻ തരംഗരൂപം സ്വഭാവ സവിശേഷതയുമാണ്. ചിത്രം 1 ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, എക്സ്-റേ പൾസ് വൃത്താകൃതിയിലുള്ള ധ്രുവീകരിക്കപ്പെട്ട ഇൻഫ്രാറെഡ് ലേസർ പൾസുമായി ഓവർലാപ്പ് ചെയ്തിരിക്കുന്നു. എക്സ്-റേ പൾസ് അയോണൈസ് ചെയ്ത ഫോട്ടോഇലക്ട്രോണുകൾ ഇൻഫ്രാറെഡ് ലേസറിന്റെ വെക്റ്റർ പൊട്ടൻഷ്യലിന് വിപരീത ദിശയിൽ വരകൾ സൃഷ്ടിക്കും. ലേസറിന്റെ വൈദ്യുത മണ്ഡലം സമയത്തിനനുസരിച്ച് കറങ്ങുന്നതിനാൽ, ഫോട്ടോഇലക്ട്രോണിന്റെ മൊമെന്റം ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷൻ ഇലക്ട്രോൺ എമിഷൻ സമയത്താൽ നിർണ്ണയിക്കപ്പെടുന്നു, കൂടാതെ എമിഷൻ സമയത്തിന്റെ കോണീയ മോഡും ഫോട്ടോഇലക്ട്രോണിന്റെ മൊമെന്റം ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷനും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം സ്ഥാപിക്കപ്പെടുന്നു. ഒരു കോക്സിയൽ ഫാസ്റ്റ് മാപ്പിംഗ് ഇമേജിംഗ് സ്പെക്ട്രോമീറ്റർ ഉപയോഗിച്ചാണ് ഫോട്ടോഇലക്ട്രോൺ മൊമെന്റത്തിന്റെ വിതരണം അളക്കുന്നത്. വിതരണത്തെയും സ്പെക്ട്രൽ ഫലങ്ങളെയും അടിസ്ഥാനമാക്കി, അറ്റോസെക്കൻഡ് പൾസുകളുടെ സമയ-ഡൊമെയ്ൻ തരംഗരൂപം പുനർനിർമ്മിക്കാൻ കഴിയും. ചിത്രം 2 (എ) പൾസ് ദൈർഘ്യത്തിന്റെ വിതരണം കാണിക്കുന്നു, ശരാശരി 440 ആയി. ഒടുവിൽ, പൾസ് ഊർജ്ജം അളക്കാൻ ഗ്യാസ് മോണിറ്ററിംഗ് ഡിറ്റക്ടർ ഉപയോഗിച്ചു, ചിത്രം 2 (ബി) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ പീക്ക് പൾസ് പവറിനും പൾസ് ദൈർഘ്യത്തിനും ഇടയിലുള്ള സ്കാറ്റർ പ്ലോട്ട് കണക്കാക്കി. മൂന്ന് കോൺഫിഗറേഷനുകളും വ്യത്യസ്ത ഇലക്ട്രോൺ ബീം ഫോക്കസിംഗ് അവസ്ഥകൾ, വേവർ കോണിംഗ് അവസ്ഥകൾ, മാഗ്നറ്റിക് കംപ്രസ്സർ കാലതാമസ അവസ്ഥകൾ എന്നിവയുമായി യോജിക്കുന്നു. മൂന്ന് കോൺഫിഗറേഷനുകളും യഥാക്രമം 150, 200, 260 µJ എന്നിവയുടെ ശരാശരി പൾസ് ഊർജ്ജം നൽകി, പരമാവധി പീക്ക് പവർ 1.1 TW.

ചിത്രം 2. (എ) പകുതി ഉയരമുള്ള മുഴുവൻ വീതി (FWHM) പൾസ് ദൈർഘ്യത്തിന്റെ വിതരണ ഹിസ്റ്റോഗ്രാം; (ബി) പീക്ക് പവറിനും പൾസ് ദൈർഘ്യത്തിനും അനുയോജ്യമായ സ്കാറ്റർ പ്ലോട്ട്

കൂടാതെ, എക്സ്-റേ ബാൻഡിലെ സോളിറ്റോൺ പോലുള്ള സൂപ്പർഎമിഷൻ എന്ന പ്രതിഭാസവും പഠനം ആദ്യമായി നിരീക്ഷിച്ചു, ഇത് ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ സമയത്ത് തുടർച്ചയായ പൾസ് ഷോർട്ടണിംഗായി കാണപ്പെടുന്നു. ഇലക്ട്രോണുകളും വികിരണവും തമ്മിലുള്ള ശക്തമായ പ്രതിപ്രവർത്തനം മൂലമാണ് ഇത് സംഭവിക്കുന്നത്, ഇലക്ട്രോണിൽ നിന്ന് എക്സ്-റേ പൾസിന്റെ തലയിലേക്കും പൾസിന്റെ വാലിൽ നിന്ന് ഇലക്ട്രോണിലേക്കും ഊർജ്ജം വേഗത്തിൽ കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ഈ പ്രതിഭാസത്തെക്കുറിച്ചുള്ള ആഴത്തിലുള്ള പഠനത്തിലൂടെ, സൂപ്പർറേഡിയേഷൻ ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ പ്രക്രിയ വിപുലീകരിച്ചും സോളിറ്റോൺ പോലുള്ള മോഡിൽ പൾസ് ഷോർട്ടണിംഗ് പ്രയോജനപ്പെടുത്തിയും കുറഞ്ഞ ദൈർഘ്യവും ഉയർന്ന പീക്ക് പവറും ഉള്ള എക്സ്-റേ പൾസുകൾ കൂടുതൽ സാക്ഷാത്കരിക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു.