Tim iz Osake i partnera demonstrirao je da laserska wakefield akceleracija može da proizvede pojačanje slobodnog elektronskog lasera u XUV opsegu (27–50 nm). Kombinacijom precizne injekcije elektrona, poboljšanja faznog fronta lasera i optimizovanih gasnih mlaznica postigli su snopove od ~400 MeV sa rasponom energije ispod 1% i poboljšanom stabilnošću. Elektronski snop je kroz 9 m beamline i 2 m undulator ostvario pojačanje od 20×, što je značajan korak ka kompaktnim izvorima rendgenskog zračenja, iako su fluktuacije i osetljivost sistema i dalje izazov.
Stoni akceleratori čestica: laserska wakefield akceleracija donosi XUV zračenje u laboratorije
Laser-driven plasma acceleration brings free-electron lasers closer to compact lab-based instruments. (CREDIT: Physical Review Research)
Zrak elektrona prešao je samo nekoliko milimetara kroz plazmu i izazvao efekat koji se obično vezuje za velike istraživačke centre: proizvedeno je ekstremno ultraljubičasto (XUV) zračenje na talasnim dužinama od 27 do 50 nm. Rezultat sugeriše da bi deo akceleratorske tehnologije u budućnosti mogao da se svede sa zgrada na kompaktnija, laboratorijska rešenja.
Ko je radio i šta su postigli
Eksperiment su vodili istraživači sa Institute of Scientific and Industrial Research, University of Osaka u saradnji sa Kansai Institute for Photon Science, National Institutes for Quantum Science and Technology, RIKEN SPring-8 Center i KEK. Koristili su metodu laserske wakefield akceleracije, gde ultraintenzivan laserski impuls pokreće talase u plazmi i stvara polja koja mogu ubrzati elektrone na veoma kratkim rastojanjima.
Proof-of-concept experimental setup used to generate an extreme ultraviolet (XUV) free-electron laser (FEL) driven by a laser wakefield acceleration (LWFA) electron beam. (CREDIT: University of Osaka)
Ključne tehnike i poboljšanja
Tim je poboljšao stabilnost i kvalitet elektronskog snopa kroz kombinaciju mera:
- Supersonični mlaz vodonika i "knife edge" da precizno kontrolišu mesto injekcije elektrona u plazmeni talas.
- Kružna maska pre fokusirajućeg ogledala koja je smanjila nestabilnost faznog fronta za ~50% (uz pad laserske energije sa 800 na 600 mJ) i poboljšala usmerenje snopa sa ~10 mrad na ~1,3 mrad.
- Redizajn gasnih mlaznica i duža komora za prigušivanje (stilling chamber) koja je povećala stabilnost gustine gasa i položaja šoka.
Rezultati
Balansiranjem injektovanog naboja, beam loading-a i procesa fazne rotacije, istraživači su dobili monoenergetske elektronske snopove sa karakteristikama:
(a) Sketch of shock injection target setup. (b) Plasma-density distribution along laser axis, measured with a Mach-Zehnder interferometer. (CREDIT: Physical Review Research)
- energija oko 400 MeV,
- raspon energije ispod 1% (u jednom slučaju izmereno 0,7%; dekonvolucija je sugerisala i ~0,2%, što zahteva potvrdu instrumentom više rezolucije),
- stabilnost usmerenja <0,5 mrad u najboljim slučajevima,
- stabilnost energije ispod 6%.
Nakon formiranja, snop je propušten kroz 9 m beamline i u 2 m undulator sa 80 perioda, gde je zabeleženo pojačanje slobodnog elektronskog lasera od 20 puta u XUV opsegu.
Provere i ograničenja
Da bi potvrdili da je reč o stvarnom pojačanju, tim je ubacio tanku aluminijumsku foliju koja je degradirala elektronski snop i potisnula samo-pojačanje; u tom slučaju zračenje je pratilo linearni obrazac spontane emisije, kako se očekuje. Ipak, autori napominju ograničenja: pojačanje i dalje fluktuira, snop je osetljiv na poravnanje, kvaliteta lasera zahteva dalja poboljšanja, a neke ulazne vrednosti u simulacijama morale su biti prilagođene.
Electron beam’s pointing stability improves with longer stilling chamber. (CREDIT: Physical Review Research)
Zašto je ovo važno
Slobodni elektronski laseri spadaju među najsvetlije izvore zračenja i danas su dostupni pretežno u velikim centrima. Pokazano je da laserska wakefield akceleracija može da pojačava zračenje u XUV opsegu — to je važan korak ka kraćim talasnim dužinama i eventualno kompaktnijim rendgenskim izvorima koji bi mogli postati dostupni u univerzitetskim i industrijskim laboratorijama.
Moguće primene: biologija, nauka o materijalima, razvoj poluprovodnika i kvantna tehnologija. Rad je objavljen u časopisu Physical Review Research.
Pomozite nam da budemo bolji.
