TW ക്ലാസ് അറ്റോസെക്കൻഡ് എക്സ്-റേ പൾസ് ലേസർ

TW ക്ലാസ് അറ്റോസെക്കൻഡ് എക്സ്-റേ പൾസ് ലേസർ
അറ്റോസെക്കൻഡ് എക്സ്-റേപൾസ് ലേസർഅൾട്രാഫാസ്റ്റ് നോൺ-ലീനിയർ സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പിയും എക്സ്-റേ ഡിഫ്രാക്ഷൻ ഇമേജിംഗും നേടുന്നതിനുള്ള താക്കോലാണ് ഉയർന്ന ശക്തിയും ഹ്രസ്വ പൾസ് ദൈർഘ്യവും. യുണൈറ്റഡ് സ്റ്റേറ്റ്സിലെ ഗവേഷണ സംഘം രണ്ട് ഘട്ടങ്ങളുള്ള ഒരു കാസ്കേഡ് ഉപയോഗിച്ചുഎക്സ്-റേ ഫ്രീ ഇലക്ട്രോൺ ലേസർഡിസ്ക്രീറ്റ് അറ്റോസെക്കൻഡ് പൾസുകൾ ഔട്ട്പുട്ട് ചെയ്യാൻ. നിലവിലുള്ള റിപ്പോർട്ടുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, പൾസുകളുടെ ശരാശരി പീക്ക് പവർ മാഗ്നിറ്റ്യൂഡ് ക്രമത്തിൽ വർദ്ധിക്കുന്നു, പരമാവധി പീക്ക് പവർ 1.1 TW ആണ്, മീഡിയൻ ഊർജ്ജം 100 μJ-ൽ കൂടുതലാണ്. എക്സ്-റേ ഫീൽഡിൽ സോളിറ്റൺ പോലെയുള്ള സൂപ്പർറേഡിയേഷൻ സ്വഭാവത്തിന് ശക്തമായ തെളിവുകളും ഈ പഠനം നൽകുന്നു.ഉയർന്ന ഊർജ്ജ ലേസർഹൈ-ഫീൽഡ് ഫിസിക്സ്, അറ്റോസെക്കൻഡ് സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പി, ലേസർ കണികാ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ എന്നിവയുൾപ്പെടെ നിരവധി പുതിയ ഗവേഷണ മേഖലകൾ നയിച്ചിട്ടുണ്ട്. എല്ലാത്തരം ലേസറുകൾക്കും ഇടയിൽ, മെഡിക്കൽ രോഗനിർണയം, വ്യാവസായിക പിഴവ് കണ്ടെത്തൽ, സുരക്ഷാ പരിശോധന, ശാസ്ത്രീയ ഗവേഷണം എന്നിവയിൽ എക്സ്-റേകൾ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. എക്സ്-റേ ഫ്രീ-ഇലക്ട്രോൺ ലേസർ (XFEL) മറ്റ് എക്സ്-റേ ജനറേഷൻ ടെക്നോളജികളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ പീക്ക് എക്സ്-റേ പവർ നിരവധി ഓർഡറുകൾ വർദ്ധിപ്പിക്കാൻ കഴിയും, അങ്ങനെ എക്സ്-റേകളുടെ പ്രയോഗം നോൺ-ലീനിയർ സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പി മേഖലയിലേക്കും സിംഗിൾ-റേയും വ്യാപിപ്പിക്കുന്നു. ഉയർന്ന പവർ ആവശ്യമുള്ളിടത്ത് കണികാ വ്യതിചലന ഇമേജിംഗ്. ഈയിടെ വിജയിച്ച അറ്റോസെക്കൻഡ് XFEL, ബെഞ്ച്‌ടോപ്പ് എക്‌സ്-റേ സ്രോതസ്സുകളെ അപേക്ഷിച്ച് ലഭ്യമായ പീക്ക് പവർ ആറിലധികം ഓർഡറുകൾ വർധിപ്പിച്ചുകൊണ്ട് അറ്റോസെക്കൻഡ് സയൻസ് ആൻഡ് ടെക്‌നോളജിയിലെ ഒരു പ്രധാന നേട്ടമാണ്.

സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോൺ ലേസർആപേക്ഷിക ഇലക്ട്രോൺ ബീമിലെയും കാന്തിക ഓസിലേറ്ററിലെയും റേഡിയേഷൻ ഫീൽഡിൻ്റെ തുടർച്ചയായ പ്രതിപ്രവർത്തനം മൂലമുണ്ടാകുന്ന കൂട്ടായ അസ്ഥിരത ഉപയോഗിച്ച് സ്വതസിദ്ധമായ ഉദ്വമന നിലയേക്കാൾ ഉയർന്ന അളവിലുള്ള പൾസ് എനർജികൾ നേടാൻ കഴിയും. ഹാർഡ് എക്സ്-റേ ശ്രേണിയിൽ (ഏകദേശം 0.01 nm മുതൽ 0.1 nm വരെ തരംഗദൈർഘ്യം), ബണ്ടിൽ കംപ്രഷൻ, പോസ്റ്റ്-സാച്ചുറേഷൻ കോണിംഗ് ടെക്നിക്കുകൾ എന്നിവയിലൂടെ FEL നേടുന്നു. 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 മെച്ചപ്പെടുത്തിയ സെൽഫ്-ആംപ്ലിഫൈഡ് സ്‌പോണ്ടേനിയസ് എമിഷൻ (ESASE) രീതി ഉപയോഗിച്ച് നിർമ്മിക്കുന്നതായി റിപ്പോർട്ട് ചെയ്യപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്.

ലിനാക് കോഹറൻ്റിൽ നിന്നുള്ള സോഫ്റ്റ് എക്സ്-റേ അറ്റോസെക്കൻഡ് പൾസ് ഔട്ട്പുട്ട് വർദ്ധിപ്പിക്കാൻ ഗവേഷണ സംഘം XFEL അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള രണ്ട്-ഘട്ട ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ സിസ്റ്റം ഉപയോഗിച്ചു.പ്രകാശ സ്രോതസ്സ്TW ലെവലിലേക്ക്, റിപ്പോർട്ടുചെയ്‌ത ഫലങ്ങളേക്കാൾ മാഗ്നിറ്റ്യൂഡ് മെച്ചപ്പെടുത്തലിൻ്റെ ക്രമം. പരീക്ഷണാത്മക സജ്ജീകരണം ചിത്രം 1-ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. ESASE രീതിയെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, ഉയർന്ന കറൻ്റ് സ്പൈക്ക് ഉള്ള ഒരു ഇലക്ട്രോൺ ബീം ലഭിക്കുന്നതിന് ഫോട്ടോകാഥോഡ് എമിറ്റർ മോഡുലേറ്റ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു, കൂടാതെ അറ്റോസെക്കൻഡ് എക്സ്-റേ പൾസുകൾ സൃഷ്ടിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ചിത്രം 1-ൻ്റെ മുകളിൽ ഇടത് കോണിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ ഇലക്ട്രോൺ ബീമിൻ്റെ മുൻവശത്തെ അരികിലാണ് പ്രാരംഭ പൾസ് സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നത്. XFEL സാച്ചുറേഷൻ എത്തുമ്പോൾ, ഒരു കാന്തിക കംപ്രസർ മുഖേന എക്സ്-റേയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ ഇലക്ട്രോൺ ബീം വൈകും. തുടർന്ന് ESASE മോഡുലേഷൻ അല്ലെങ്കിൽ FEL ലേസർ പരിഷ്കരിക്കാത്ത ഇലക്ട്രോൺ ബീമുമായി (ഫ്രഷ് സ്ലൈസ്) പൾസ് പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നു. അവസാനമായി, പുതിയ സ്ലൈസുമായുള്ള അറ്റോസെക്കൻഡ് പൾസുകളുടെ പ്രതിപ്രവർത്തനത്തിലൂടെ എക്സ്-റേകളെ കൂടുതൽ വർധിപ്പിക്കാൻ രണ്ടാമത്തെ കാന്തിക അണ്ഡുലേറ്റർ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

അത്തിപ്പഴം. 1 പരീക്ഷണാത്മക ഉപകരണ ഡയഗ്രം; രേഖാംശ ഫേസ് സ്പേസ് (ഇലക്ട്രോണിൻ്റെ സമയ-ഊർജ്ജ ഡയഗ്രം, പച്ച), നിലവിലെ പ്രൊഫൈൽ (നീല), ഫസ്റ്റ്-ഓർഡർ ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ (പർപ്പിൾ) ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്ന വികിരണം എന്നിവ ഈ ചിത്രീകരണം കാണിക്കുന്നു. XTCAV, X-ബാൻഡ് തിരശ്ചീന അറ; cVMI, കോക്സിയൽ ദ്രുത മാപ്പിംഗ് ഇമേജിംഗ് സിസ്റ്റം; FZP, ഫ്രെസ്നെൽ ബാൻഡ് പ്ലേറ്റ് സ്പെക്ട്രോമീറ്റർ

എല്ലാ അറ്റോസെക്കൻഡ് പൾസുകളും ശബ്ദത്തിൽ നിന്നാണ് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്, അതിനാൽ ഓരോ പൾസിനും വ്യത്യസ്ത സ്പെക്ട്രൽ, ടൈം-ഡൊമെയ്ൻ ഗുണങ്ങളുണ്ട്, അത് ഗവേഷകർ കൂടുതൽ വിശദമായി പര്യവേക്ഷണം ചെയ്തു. സ്പെക്ട്രയുടെ കാര്യത്തിൽ, വ്യത്യസ്ത തുല്യമായ അൺഡുലേറ്റർ ദൈർഘ്യങ്ങളിൽ വ്യക്തിഗത പൾസുകളുടെ സ്പെക്ട്ര അളക്കാൻ അവർ ഒരു ഫ്രെസ്നെൽ ബാൻഡ് പ്ലേറ്റ് സ്പെക്ട്രോമീറ്റർ ഉപയോഗിച്ചു, കൂടാതെ ഈ സ്പെക്ട്രകൾ ദ്വിതീയ ആംപ്ലിഫിക്കേഷനു ശേഷവും മിനുസമാർന്ന തരംഗരൂപങ്ങൾ നിലനിർത്തുന്നതായി കണ്ടെത്തി, ഇത് പൾസുകൾ ഏകതാനമല്ലെന്ന് സൂചിപ്പിക്കുന്നു. സമയ ഡൊമെയ്‌നിൽ, കോണീയ അരികുകൾ അളക്കുകയും പൾസിൻ്റെ സമയ ഡൊമെയ്ൻ തരംഗരൂപം വിശേഷിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ചിത്രം 1 ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, എക്സ്-റേ പൾസ് വൃത്താകൃതിയിലുള്ള ധ്രുവീകരിക്കപ്പെട്ട ഇൻഫ്രാറെഡ് ലേസർ പൾസുമായി ഓവർലാപ്പ് ചെയ്തിരിക്കുന്നു. എക്സ്-റേ പൾസ് വഴി അയോണീകരിക്കപ്പെടുന്ന ഫോട്ടോ ഇലക്ട്രോണുകൾ ഇൻഫ്രാറെഡ് ലേസറിൻ്റെ വെക്റ്റർ പൊട്ടൻഷ്യലിന് വിപരീത ദിശയിൽ വരകൾ ഉണ്ടാക്കും. ലേസറിൻ്റെ വൈദ്യുത മണ്ഡലം സമയത്തിനനുസരിച്ച് കറങ്ങുന്നതിനാൽ, ഫോട്ടോഇലക്ട്രോണിൻ്റെ മൊമെൻ്റം ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷൻ ഇലക്ട്രോൺ എമിഷൻ സമയത്തെ നിർണ്ണയിക്കുന്നു, കൂടാതെ എമിഷൻ സമയത്തിൻ്റെ കോണീയ മോഡും ഫോട്ടോ ഇലക്ട്രോണിൻ്റെ മൊമെൻ്റം വിതരണവും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം സ്ഥാപിക്കപ്പെടുന്നു. ഫോട്ടോഇലക്ട്രോൺ മൊമെൻ്റത്തിൻ്റെ വിതരണം ഒരു കോക്സിയൽ ഫാസ്റ്റ് മാപ്പിംഗ് ഇമേജിംഗ് സ്പെക്ട്രോമീറ്റർ ഉപയോഗിച്ചാണ് അളക്കുന്നത്. വിതരണത്തിൻ്റെയും സ്പെക്ട്രൽ ഫലങ്ങളുടെയും അടിസ്ഥാനത്തിൽ, അറ്റോസെക്കൻഡ് പൾസുകളുടെ സമയ-ഡൊമെയ്ൻ തരംഗരൂപം പുനർനിർമ്മിക്കാൻ കഴിയും. ചിത്രം 2 (എ) പൾസ് ദൈർഘ്യത്തിൻ്റെ വിതരണം കാണിക്കുന്നു, ശരാശരി 440 ആയി. അവസാനമായി, പൾസ് എനർജി അളക്കാൻ ഗ്യാസ് മോണിറ്ററിംഗ് ഡിറ്റക്ടർ ഉപയോഗിച്ചു, ചിത്രം 2 (ബി) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ പീക്ക് പൾസ് പവറും പൾസ് ദൈർഘ്യവും തമ്മിലുള്ള സ്കാറ്റർ പ്ലോട്ട് കണക്കാക്കി. മൂന്ന് കോൺഫിഗറേഷനുകളും വ്യത്യസ്ത ഇലക്ട്രോൺ ബീം ഫോക്കസിംഗ് അവസ്ഥകൾ, വേവർ കോണിംഗ് അവസ്ഥകൾ, മാഗ്നറ്റിക് കംപ്രസർ കാലതാമസം അവസ്ഥകൾ എന്നിവയുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു. മൂന്ന് കോൺഫിഗറേഷനുകളും യഥാക്രമം 150, 200, 260 µJ എന്നിവയുടെ ശരാശരി പൾസ് എനർജി നൽകി, പരമാവധി പീക്ക് പവർ 1.1 TW.

ചിത്രം 2. (എ) പകുതി-ഉയരം മുഴുവൻ വീതിയും (FWHM) പൾസ് ദൈർഘ്യത്തിൻ്റെ വിതരണ ഹിസ്റ്റോഗ്രാം; (ബി) പീക്ക് പവറിനും പൾസ് ദൈർഘ്യത്തിനും അനുയോജ്യമായ സ്കാറ്റർ പ്ലോട്ട്

കൂടാതെ, എക്സ്-റേ ബാൻഡിലെ സോളിറ്റൺ പോലെയുള്ള സൂപ്പർഎമിഷൻ എന്ന പ്രതിഭാസവും പഠനം ആദ്യമായി നിരീക്ഷിച്ചു, ഇത് ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ സമയത്ത് തുടർച്ചയായ പൾസ് ഷോർട്ട്നിംഗ് ആയി കാണപ്പെടുന്നു. ഇലക്ട്രോണുകളും റേഡിയേഷനും തമ്മിലുള്ള ശക്തമായ പ്രതിപ്രവർത്തനം മൂലമാണ് ഇത് സംഭവിക്കുന്നത്, ഊർജ്ജം ഇലക്ട്രോണിൽ നിന്ന് എക്സ്-റേ പൾസിൻ്റെ തലയിലേക്കും പൾസിൻ്റെ വാലിൽ നിന്ന് ഇലക്ട്രോണിലേക്കും അതിവേഗം കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ഈ പ്രതിഭാസത്തെക്കുറിച്ചുള്ള ആഴത്തിലുള്ള പഠനത്തിലൂടെ, സൂപ്പർറേഡിയേഷൻ ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ പ്രക്രിയ വിപുലീകരിക്കുന്നതിലൂടെയും സോളിറ്റൺ പോലെയുള്ള മോഡിൽ പൾസ് ഷോർട്ടനിംഗ് പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നതിലൂടെയും കുറഞ്ഞ ദൈർഘ്യവും ഉയർന്ന പീക്ക് പവറുമുള്ള എക്സ്-റേ പൾസുകൾ കൂടുതൽ യാഥാർത്ഥ്യമാക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു.