TW श्रेणी का एटोसेकंड एक्स-रे पल्स लेजर

TW श्रेणी का एटोसेकंड एक्स-रे पल्स लेजर
एटोसेकंड एक्स-रेपल्स लेजरउच्च शक्ति और कम पल्स अवधि 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 लेजरअसतत एटोसेकंड पल्स उत्पन्न करने के लिए। मौजूदा रिपोर्टों की तुलना में, पल्स की औसत शिखर शक्ति में एक परिमाण क्रम की वृद्धि हुई है, अधिकतम शिखर शक्ति 1.1 TW है, और माध्य ऊर्जा 100 μJ से अधिक है। यह अध्ययन एक्स-रे क्षेत्र में सॉलिटॉन-जैसे सुपररेडिएशन व्यवहार के लिए भी मजबूत प्रमाण प्रदान करता है।उच्च-ऊर्जा लेजरएक्स-रे ने उच्च-क्षेत्र भौतिकी, एटोसेकंड स्पेक्ट्रोस्कोपी और लेजर कण त्वरक सहित अनुसंधान के कई नए क्षेत्रों को बढ़ावा दिया है। सभी प्रकार के लेज़रों में, एक्स-रे का व्यापक रूप से चिकित्सा निदान, औद्योगिक दोष पहचान, सुरक्षा निरीक्षण और वैज्ञानिक अनुसंधान में उपयोग किया जाता है। एक्स-रे मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेज़र (XFEL) अन्य एक्स-रे उत्पादन तकनीकों की तुलना में चरम एक्स-रे शक्ति को कई गुना बढ़ा सकता है, जिससे एक्स-रे के अनुप्रयोग को गैर-रेखीय स्पेक्ट्रोस्कोपी और एकल-कण विवर्तन इमेजिंग के क्षेत्र तक विस्तारित किया जा सकता है, जहां 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 चरम शक्ति को छह गुना से अधिक बढ़ा देता है।

मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजरसामूहिक अस्थिरता का उपयोग करके स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन स्तर से कई गुना अधिक पल्स ऊर्जा प्राप्त की जा सकती है, जो सापेक्षतावादी इलेक्ट्रॉन बीम में विकिरण क्षेत्र और चुंबकीय दोलक की निरंतर परस्पर क्रिया के कारण उत्पन्न होती है। कठोर एक्स-रे श्रेणी (लगभग 0.01 एनएम से 0.1 एनएम तरंगदैर्ध्य) में, बंडल संपीड़न और पोस्ट-सैचुरेशन कोनिंग तकनीकों द्वारा स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन (एफईएल) प्राप्त किया जाता है। नरम एक्स-रे श्रेणी (लगभग 0.1 एनएम से 10 एनएम तरंगदैर्ध्य) में, कैस्केड फ्रेश-स्लाइस तकनीक द्वारा एफईएल को कार्यान्वित किया जाता है। हाल ही में, उन्नत स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन (ईएसएएसई) विधि का उपयोग करके 100 गीगावाट की चरम शक्ति वाले एटोसेकंड पल्स उत्पन्न करने की सूचना मिली है।

शोध दल ने लिनैक सुसंगत से निकलने वाले सॉफ्ट एक्स-रे एटोसेकंड पल्स आउटपुट को बढ़ाने के लिए एक्सएफईएल पर आधारित दो-चरण प्रवर्धन प्रणाली का उपयोग किया।प्रकाश स्रोतTW स्तर तक, रिपोर्ट किए गए परिणामों की तुलना में एक परिमाण क्रम का सुधार हुआ है। प्रायोगिक सेटअप चित्र 1 में दिखाया गया है। ESASE विधि के आधार पर, फोटोकैथोड उत्सर्जक को उच्च धारा स्पाइक के साथ एक 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 अग्र भाग पर स्थित होता है, जैसा कि चित्र 1 के ऊपरी बाएँ कोने में दिखाया गया है। जब XFEL संतृप्ति तक पहुँच जाता है, तो एक चुंबकीय कंप्रेसर द्वारा इलेक्ट्रॉन बीम को एक्स-रे के सापेक्ष विलंबित किया जाता है, और फिर पल्स इलेक्ट्रॉन बीम (ताज़ा स्लाइस) के साथ परस्पर क्रिया करता है जो ESASE मॉड्यूलेशन या FEL लेजर द्वारा संशोधित नहीं होता है। अंत में, एटोसेकंड पल्स की ताज़ा स्लाइस के साथ परस्पर क्रिया के माध्यम से एक्स-रे को और अधिक प्रवर्धित करने के लिए एक दूसरे चुंबकीय अंडुलेटर का उपयोग किया जाता है।

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

सभी एटोसेकंड पल्स शोर से निर्मित होते हैं, इसलिए प्रत्येक पल्स के स्पेक्ट्रल और टाइम-डोमेन गुण अलग-अलग होते हैं, जिनका शोधकर्ताओं ने अधिक विस्तार से अध्ययन किया। स्पेक्ट्रा के संदर्भ में, उन्होंने अलग-अलग समतुल्य अंडुलेटर लंबाई पर व्यक्तिगत पल्स के स्पेक्ट्रा को मापने के लिए फ्रेस्नेल बैंड प्लेट स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया और पाया कि द्वितीयक प्रवर्धन के बाद भी ये स्पेक्ट्रा चिकने तरंगरूप बनाए रखते हैं, जो दर्शाता है कि पल्स यूनिमोडल बने रहे। टाइम-डोमेन में, कोणीय फ्रिंज को मापा जाता है और पल्स के टाइम-डोमेन तरंगरूप का लक्षण वर्णन किया जाता है। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, एक्स-रे पल्स को वृत्ताकार ध्रुवीकृत अवरक्त लेजर पल्स के साथ ओवरलैप किया जाता है। एक्स-रे पल्स द्वारा आयनित फोटोइलेक्ट्रॉन अवरक्त लेजर के वेक्टर पोटेंशियल की विपरीत दिशा में धारियाँ उत्पन्न करेंगे। चूंकि लेजर का विद्युत क्षेत्र समय के साथ घूमता है, इसलिए फोटोइलेक्ट्रॉन का संवेग वितरण इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन के समय द्वारा निर्धारित होता है, और उत्सर्जन समय के कोणीय मोड और फोटोइलेक्ट्रॉन के संवेग वितरण के बीच संबंध स्थापित किया जाता है। फोटोइलेक्ट्रॉन संवेग के वितरण को समाक्षीय तीव्र मानचित्रण इमेजिंग स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके मापा जाता है। वितरण और स्पेक्ट्रल परिणामों के आधार पर, एटोसेकंड पल्स के समय-डोमेन तरंगरूप का पुनर्निर्माण किया जा सकता है। चित्र 2 (a) पल्स अवधि का वितरण दर्शाता है, जिसका माध्यिका मान 440 एस्टोसेकंड है। अंत में, गैस मॉनिटरिंग डिटेक्टर का उपयोग पल्स ऊर्जा को मापने के लिए किया गया, और चित्र 2 (b) में दर्शाए गए अनुसार पीक पल्स पावर और पल्स अवधि के बीच प्रकीर्णन प्लॉट की गणना की गई। तीनों विन्यास अलग-अलग इलेक्ट्रॉन बीम फोकसिंग स्थितियों, तरंग शंकु स्थितियों और चुंबकीय कंप्रेसर विलंब स्थितियों के अनुरूप हैं। तीनों विन्यासों से क्रमशः 150, 200 और 260 µJ की औसत पल्स ऊर्जा प्राप्त हुई, जिसकी अधिकतम पीक पावर 1.1 TW थी।

चित्र 2. (a) अर्ध-ऊंचाई पूर्ण चौड़ाई (FWHM) पल्स अवधि का वितरण हिस्टोग्राम; (b) शिखर शक्ति और पल्स अवधि के अनुरूप स्कैटर प्लॉट

इसके अतिरिक्त, इस अध्ययन में पहली बार एक्स-रे बैंड में सॉलिटॉन-जैसे सुपरएमिशन की घटना देखी गई, जो प्रवर्धन के दौरान निरंतर पल्स के छोटे होने के रूप में प्रकट होती है। यह इलेक्ट्रॉनों और विकिरण के बीच मजबूत अंतःक्रिया के कारण होती है, जिसमें ऊर्जा तेजी से इलेक्ट्रॉन से एक्स-रे पल्स के शीर्ष तक और पल्स के अंत से वापस इलेक्ट्रॉन तक स्थानांतरित होती है। इस घटना के गहन अध्ययन के माध्यम से, यह उम्मीद की जाती है कि सुपररेडिएशन प्रवर्धन प्रक्रिया को बढ़ाकर और सॉलिटॉन-जैसे मोड में पल्स के छोटे होने का लाभ उठाकर कम अवधि और उच्च शिखर शक्ति वाले एक्स-रे पल्स को और अधिक प्राप्त किया जा सकता है।