TW वर्ग एटोसेकंड एक्स-रे पल्स लेजर

TW वर्ग एटोसेकंड एक्स-रे पल्स लेजर
एटोसेकंड एक्स-रेपल्स लेजरउच्च शक्ति और छोटी पल्स अवधि वाले स्पेक्ट्रोस्कोपी अल्ट्राफास्ट नॉनलाइनियर स्पेक्ट्रोस्कोपी और एक्स-रे विवर्तन इमेजिंग प्राप्त करने की कुंजी हैं। संयुक्त राज्य अमेरिका में शोध दल ने दो-चरणीय कैस्केड का उपयोग किया।एक्स-रे मुक्त इलेक्ट्रॉन लेज़रअसतत एटोसेकंड पल्स आउटपुट करने के लिए। मौजूदा रिपोर्टों की तुलना में, पल्स की औसत शिखर शक्ति एक परिमाण के क्रम से बढ़ी है, अधिकतम शिखर शक्ति 1.1 TW है, और माध्यिका ऊर्जा 100 μJ से अधिक है। यह अध्ययन एक्स-रे क्षेत्र में सोलिटन-जैसे सुपररेडिएशन व्यवहार के लिए भी मजबूत प्रमाण प्रदान करता है।उच्च-ऊर्जा लेज़रउच्च-क्षेत्र भौतिकी, एटोसेकंड स्पेक्ट्रोस्कोपी और लेज़र कण त्वरक सहित अनुसंधान के कई नए क्षेत्रों को प्रेरित किया है। सभी प्रकार के लेज़रों में, एक्स-रे का व्यापक रूप से चिकित्सा निदान, औद्योगिक दोष का पता लगाने, सुरक्षा निरीक्षण और वैज्ञानिक अनुसंधान में उपयोग किया जाता है। एक्स-रे मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेज़र (XFEL) अन्य एक्स-रे उत्पादन तकनीकों की तुलना में अधिकतम एक्स-रे शक्ति को कई गुना बढ़ा सकता है, इस प्रकार एक्स-रे के अनुप्रयोग को गैर-रेखीय स्पेक्ट्रोस्कोपी और एकल-कण विवर्तन इमेजिंग के क्षेत्र में विस्तारित करता है जहाँ उच्च शक्ति की आवश्यकता होती है। हाल ही में सफल एटोसेकंड XFEL एटोसेकंड विज्ञान और प्रौद्योगिकी में एक बड़ी उपलब्धि है, जो बेंचटॉप एक्स-रे स्रोतों की तुलना में उपलब्ध अधिकतम शक्ति को छह गुना से अधिक बढ़ा देता है।

मुक्त इलेक्ट्रॉन लेज़रसामूहिक अस्थिरता का उपयोग करके, स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन स्तर से कई गुना अधिक परिमाण की पल्स ऊर्जाएँ प्राप्त की जा सकती हैं, जो सापेक्षिक इलेक्ट्रॉन किरण पुंज में विकिरण क्षेत्र और चुंबकीय दोलक की निरंतर परस्पर क्रिया के कारण होती है। कठोर एक्स-रे श्रेणी (लगभग 0.01 नैनोमीटर से 0.1 नैनोमीटर तरंगदैर्ध्य) में, FEL बंडल संपीड़न और पश्च-संतृप्ति शंकुकरण तकनीकों द्वारा प्राप्त किया जाता है। मृदु एक्स-रे श्रेणी (लगभग 0.1 नैनोमीटर से 10 नैनोमीटर तरंगदैर्ध्य) में, FEL कैस्केड फ्रेश-स्लाइस तकनीक द्वारा कार्यान्वित किया जाता है। हाल ही में, उन्नत स्व-प्रवर्धित स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन (ESASE) विधि का उपयोग करके 100 GW की चरम शक्ति वाले एटोसेकंड पल्स उत्पन्न किए जाने की सूचना मिली है।

अनुसंधान दल ने लिनैक कोहेरेंट से सॉफ्ट एक्स-रे एटोसेकंड पल्स आउटपुट को बढ़ाने के लिए एक्सएफईएल पर आधारित दो-चरणीय प्रवर्धन प्रणाली का उपयोग किया।प्रकाश स्रोतTW स्तर तक, रिपोर्ट किए गए परिणामों पर परिमाण का एक क्रम सुधार। प्रायोगिक सेटअप चित्रा 1 में दिखाया गया है। ESASE विधि के आधार पर, फोटोकैथोड एमिटर को एक उच्च वर्तमान स्पाइक के साथ इलेक्ट्रॉन बीम प्राप्त करने के लिए मॉड्यूलेट किया जाता है, और इसका उपयोग एटोसेकंड एक्स-रे पल्स उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। प्रारंभिक पल्स इलेक्ट्रॉन बीम के स्पाइक के सामने के किनारे पर स्थित है, जैसा कि चित्रा 1 के ऊपरी बाएं कोने में दिखाया गया है। जब XFEL संतृप्ति तक पहुँच जाता है, तो इलेक्ट्रॉन बीम को एक चुंबकीय कंप्रेसर द्वारा एक्स-रे के सापेक्ष विलंबित किया जाता है, और फिर पल्स इलेक्ट्रॉन बीम (ताजा स्लाइस) के साथ इंटरैक्ट करता है जिसे ESASE मॉड्यूलेशन या FEL लेजर द्वारा संशोधित नहीं किया जाता है। अंत में, ताजा स्लाइस के साथ एटोसेकंड पल्स की इंटरैक्ट के माध्यम से एक्स-रे को और बढ़ाने के लिए एक दूसरे चुंबकीय अंडुलेटर का उपयोग किया जाता है।

चित्र 1 प्रायोगिक उपकरण आरेख; यह चित्रण अनुदैर्ध्य कला-अंतराल (इलेक्ट्रॉन का समय-ऊर्जा आरेख, हरा), धारा प्रोफ़ाइल (नीला), और प्रथम-क्रम प्रवर्धन द्वारा उत्पन्न विकिरण (बैंगनी) को दर्शाता है। XTCAV, X-बैंड अनुप्रस्थ गुहा; cVMI, समाक्षीय तीव्र मानचित्रण इमेजिंग प्रणाली; FZP, फ़्रेस्नेल बैंड प्लेट स्पेक्ट्रोमीटर

सभी एटोसेकंड पल्स शोर से निर्मित होते हैं, इसलिए प्रत्येक पल्स के अलग-अलग वर्णक्रमीय और समय-क्षेत्र गुण होते हैं, जिनका शोधकर्ताओं ने अधिक विस्तार से अध्ययन किया। स्पेक्ट्रा के संदर्भ में, उन्होंने अलग-अलग समतुल्य तरंगदैर्ध्य पर अलग-अलग पल्स के स्पेक्ट्रा को मापने के लिए एक फ़्रेस्नेल बैंड प्लेट स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया, और पाया कि द्वितीयक प्रवर्धन के बाद भी इन स्पेक्ट्राओं में सुचारु तरंगरूप बने रहे, जिससे यह संकेत मिलता है कि पल्स एकविध (यूनिमोडल) रहे। समय क्षेत्र में, कोणीय फ्रिंज को मापा जाता है और पल्स के समय-क्षेत्र तरंगरूप का वर्णन किया जाता है। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, एक्स-रे पल्स वृत्ताकार ध्रुवीकृत अवरक्त लेज़र पल्स के साथ अतिव्याप्त है। एक्स-रे पल्स द्वारा आयनित प्रकाश-इलेक्ट्रॉन अवरक्त लेज़र के सदिश विभव के विपरीत दिशा में धारियाँ उत्पन्न करेंगे। चूँकि लेज़र का विद्युत क्षेत्र समय के साथ घूमता है, प्रकाश-इलेक्ट्रॉन का संवेग वितरण इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन के समय द्वारा निर्धारित होता है, और उत्सर्जन समय के कोणीय विधा और प्रकाश-इलेक्ट्रॉन के संवेग वितरण के बीच संबंध स्थापित होता है। फोटोइलेक्ट्रॉन संवेग का वितरण एक समाक्षीय द्रुत मानचित्रण इमेजिंग स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके मापा जाता है। वितरण और वर्णक्रमीय परिणामों के आधार पर, एटोसेकंड स्पंदों के समय-डोमेन तरंगरूप का पुनर्निर्माण किया जा सकता है। चित्र 2 (a) स्पंद अवधि के वितरण को दर्शाता है, जिसका माध्य 440 as है। अंत में, स्पंद ऊर्जा को मापने के लिए गैस निगरानी संसूचक का उपयोग किया गया, और चित्र 2 (b) में दर्शाए अनुसार, शिखर स्पंद शक्ति और स्पंद अवधि के बीच प्रकीर्णन आलेख की गणना की गई। ये तीनों विन्यास विभिन्न इलेक्ट्रॉन किरण फोकस स्थितियों, तरंग शंकु स्थितियों और चुंबकीय संपीडक विलंब स्थितियों के अनुरूप हैं। तीनों विन्यासों ने क्रमशः 150, 200 और 260 µJ की औसत स्पंद ऊर्जाएँ प्रदान कीं, जिनकी अधिकतम शिखर शक्ति 1.1 TW थी।

चित्र 2. (क) अर्ध-ऊँचाई पूर्ण चौड़ाई (एफडब्ल्यूएचएम) पल्स अवधि का वितरण हिस्टोग्राम; (ख) शिखर शक्ति और पल्स अवधि के अनुरूप स्कैटर प्लॉट

इसके अलावा, अध्ययन में पहली बार एक्स-रे बैंड में सोलिटॉन-जैसे अतिउत्सर्जन की घटना भी देखी गई, जो प्रवर्धन के दौरान पल्स के निरंतर लघुकरण के रूप में प्रकट होती है। यह इलेक्ट्रॉनों और विकिरण के बीच एक प्रबल अंतःक्रिया के कारण होता है, जिसमें ऊर्जा इलेक्ट्रॉन से एक्स-रे पल्स के शीर्ष तक और पल्स की पूँछ से इलेक्ट्रॉन तक तेज़ी से स्थानांतरित होती है। इस घटना के गहन अध्ययन के माध्यम से, यह आशा की जाती है कि अतिविकिरण प्रवर्धन प्रक्रिया का विस्तार करके और सोलिटॉन-जैसे मोड में पल्स लघुकरण का लाभ उठाकर, कम अवधि और उच्च शिखर शक्ति वाले एक्स-रे पल्स को और अधिक साकार किया जा सकता है।