TW ક્લાસ એટોસેકન્ડ એક્સ-રે પલ્સ લેસર

TW ક્લાસ એટોસેકન્ડ એક્સ-રે પલ્સ લેસર
એટોસેકન્ડ એક્સ-રેપલ્સ લેસરઉચ્ચ શક્તિ અને ટૂંકા પલ્સ અવધિ સાથે અલ્ટ્રાફાસ્ટ નોનલાઇનર સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને એક્સ-રે ડિફ્રેક્શન ઇમેજિંગ પ્રાપ્ત કરવાની ચાવી છે. યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં સંશોધન ટીમે બે-તબક્કાના કાસ્કેડનો ઉપયોગ કર્યોએક્સ-રે મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન લેસરોડિસ્ક્રીટ એટોસેકન્ડ પલ્સ આઉટપુટ કરવા માટે. હાલના અહેવાલોની તુલનામાં, પલ્સની સરેરાશ ટોચ શક્તિ તીવ્રતાના ક્રમમાં વધે છે, મહત્તમ ટોચ શક્તિ 1.1 TW છે, અને મધ્ય ઊર્જા 100 μJ કરતાં વધુ છે. આ અભ્યાસ એક્સ-રે ક્ષેત્રમાં સોલિટોન જેવા સુપરરેડિયેશન વર્તન માટે મજબૂત પુરાવા પણ પૂરા પાડે છે.ઉચ્ચ-ઊર્જા લેસરોસંશોધનના ઘણા નવા ક્ષેત્રોને પ્રોત્સાહન આપ્યું છે, જેમાં હાઇ-ફિલ્ડ ફિઝિક્સ, એટોસેકન્ડ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને લેસર પાર્ટિકલ એક્સિલરેટરનો સમાવેશ થાય છે. તમામ પ્રકારના લેસરોમાં, એક્સ-રેનો વ્યાપકપણે તબીબી નિદાન, ઔદ્યોગિક ખામી શોધ, સલામતી નિરીક્ષણ અને વૈજ્ઞાનિક સંશોધનમાં ઉપયોગ થાય છે. એક્સ-રે ફ્રી-ઇલેક્ટ્રોન લેસર (XFEL) અન્ય એક્સ-રે જનરેશન ટેકનોલોજીની તુલનામાં પીક એક્સ-રે પાવરને અનેક ક્રમમાં વધારી શકે છે, આમ એક્સ-રેનો ઉપયોગ નોનલાઇનર સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને સિંગલ-પાર્ટિકલ ડિફ્રેક્શન ઇમેજિંગના ક્ષેત્રમાં વિસ્તૃત થાય છે જ્યાં ઉચ્ચ શક્તિની જરૂર હોય છે. તાજેતરના સફળ એટોસેકન્ડ XFEL એ એટોસેકન્ડ વિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજીમાં એક મોટી સિદ્ધિ છે, જે બેન્ચટોપ એક્સ-રે સ્ત્રોતોની તુલનામાં ઉપલબ્ધ પીક પાવરને છ ક્રમ કરતાં વધુ મેગ્નિટ્યુડથી વધારે કરે છે.

મફત ઇલેક્ટ્રોન લેસરોસાપેક્ષ ઇલેક્ટ્રોન બીમ અને ચુંબકીય ઓસિલેટરમાં રેડિયેશન ક્ષેત્રની સતત ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે થતી સામૂહિક અસ્થિરતાનો ઉપયોગ કરીને સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જન સ્તર કરતાં ઘણી વધુ તીવ્રતાના પલ્સ ઊર્જા મેળવી શકે છે. હાર્ડ એક્સ-રે રેન્જ (લગભગ 0.01 nm થી 0.1 nm તરંગલંબાઇ) માં, FEL બંડલ કમ્પ્રેશન અને પોસ્ટ-સેચ્યુરેશન કોનિંગ તકનીકો દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે. સોફ્ટ એક્સ-રે રેન્જ (લગભગ 0.1 nm થી 10 nm તરંગલંબાઇ) માં, FEL કાસ્કેડ ફ્રેશ-સ્લાઇસ ટેકનોલોજી દ્વારા લાગુ કરવામાં આવે છે. તાજેતરમાં, ઉન્નત સ્વ-એમ્પ્લીફાઇડ સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જન (ESASE) પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને 100 GW ની ટોચની શક્તિ સાથે એટોસેકન્ડ પલ્સ ઉત્પન્ન થયા હોવાનું નોંધાયું છે.

સંશોધન ટીમે લિનેક કોહેરન્ટમાંથી સોફ્ટ એક્સ-રે એટોસેકન્ડ પલ્સ આઉટપુટને એમ્પ્લીફાય કરવા માટે XFEL પર આધારિત બે-તબક્કાની એમ્પ્લીફિકેશન સિસ્ટમનો ઉપયોગ કર્યો.પ્રકાશ સ્ત્રોતTW સ્તર સુધી, અહેવાલ પરિણામો કરતાં તીવ્રતામાં સુધારોનો ક્રમ. પ્રાયોગિક સેટઅપ આકૃતિ 1 માં બતાવવામાં આવ્યું છે. ESASE પદ્ધતિના આધારે, ફોટોકેથોડ ઉત્સર્જકને ઉચ્ચ વર્તમાન સ્પાઇક સાથે ઇલેક્ટ્રોન બીમ મેળવવા માટે મોડ્યુલેટ કરવામાં આવે છે, અને તેનો ઉપયોગ એટોસેકન્ડ એક્સ-રે પલ્સ જનરેટ કરવા માટે થાય છે. પ્રારંભિક પલ્સ ઇલેક્ટ્રોન બીમના સ્પાઇકની આગળની ધાર પર સ્થિત છે, જેમ કે આકૃતિ 1 ના ઉપરના ડાબા ખૂણામાં બતાવ્યા પ્રમાણે. જ્યારે XFEL સંતૃપ્તિ સુધી પહોંચે છે, ત્યારે ચુંબકીય કોમ્પ્રેસર દ્વારા ઇલેક્ટ્રોન બીમ એક્સ-રેની તુલનામાં વિલંબિત થાય છે, અને પછી પલ્સ ઇલેક્ટ્રોન બીમ (તાજી સ્લાઇસ) સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે જે ESASE મોડ્યુલેશન અથવા FEL લેસર દ્વારા સુધારેલ નથી. અંતે, બીજા ચુંબકીય અનડ્યુલેટરનો ઉપયોગ તાજી સ્લાઇસ સાથે એટોસેકન્ડ પલ્સની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા એક્સ-રેને વધુ વિસ્તૃત કરવા માટે થાય છે.

આકૃતિ 1 પ્રાયોગિક ઉપકરણ આકૃતિ; આકૃતિ રેખાંશ તબક્કાની જગ્યા (ઇલેક્ટ્રોનનો સમય-ઊર્જા આકૃતિ, લીલો), વર્તમાન પ્રોફાઇલ (વાદળી), અને પ્રથમ-ક્રમના એમ્પ્લીફિકેશન (જાંબલી) દ્વારા ઉત્પાદિત રેડિયેશન દર્શાવે છે. XTCAV, X-બેન્ડ ટ્રાંસવર્સ કેવિટી; cVMI, કોએક્સિયલ રેપિડ મેપિંગ ઇમેજિંગ સિસ્ટમ; FZP, ફ્રેસ્નેલ બેન્ડ પ્લેટ સ્પેક્ટ્રોમીટર

બધા એટોસેકન્ડ પલ્સ અવાજથી બનેલા હોય છે, તેથી દરેક પલ્સમાં અલગ અલગ સ્પેક્ટ્રલ અને સમય-ડોમેન ગુણધર્મો હોય છે, જેનો સંશોધકોએ વધુ વિગતવાર અભ્યાસ કર્યો. સ્પેક્ટ્રાની દ્રષ્ટિએ, તેઓએ ફ્રેસ્નલ બેન્ડ પ્લેટ સ્પેક્ટ્રોમીટરનો ઉપયોગ વિવિધ સમકક્ષ અનડ્યુલેટર લંબાઈ પર વ્યક્તિગત પલ્સના સ્પેક્ટ્રાને માપવા માટે કર્યો, અને જાણવા મળ્યું કે આ સ્પેક્ટ્રાએ ગૌણ એમ્પ્લીફિકેશન પછી પણ સરળ તરંગસ્વરૂપ જાળવી રાખ્યા હતા, જે દર્શાવે છે કે પલ્સ યુનિમોડલ રહ્યા. સમય ડોમેનમાં, કોણીય ફ્રિન્જ માપવામાં આવે છે અને પલ્સના સમય ડોમેન વેવફોર્મનું લક્ષણ દર્શાવવામાં આવે છે. આકૃતિ 1 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, એક્સ-રે પલ્સ ગોળાકાર ધ્રુવીકૃત ઇન્ફ્રારેડ લેસર પલ્સ સાથે ઓવરલેપ થયેલ છે. એક્સ-રે પલ્સ દ્વારા આયનાઇઝ્ડ ફોટોઇલેક્ટ્રોન ઇન્ફ્રારેડ લેસરના વેક્ટર પોટેન્શિયલની વિરુદ્ધ દિશામાં છટાઓ ઉત્પન્ન કરશે. કારણ કે લેસરનું ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર સમય સાથે ફરે છે, ફોટોઇલેક્ટ્રોનનું વેગ વિતરણ ઇલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જનના સમય દ્વારા નક્કી થાય છે, અને ઉત્સર્જન સમયના કોણીય મોડ અને ફોટોઇલેક્ટ્રોનના વેગ વિતરણ વચ્ચેનો સંબંધ સ્થાપિત થાય છે. ફોટોઈલેક્ટ્રોન મોમેન્ટમનું વિતરણ કોએક્સિયલ ફાસ્ટ મેપિંગ ઇમેજિંગ સ્પેક્ટ્રોમીટરનો ઉપયોગ કરીને માપવામાં આવે છે. વિતરણ અને સ્પેક્ટ્રલ પરિણામોના આધારે, એટોસેકન્ડ પલ્સના સમય-ડોમેન વેવફોર્મનું પુનઃનિર્માણ કરી શકાય છે. આકૃતિ 2 (a) પલ્સ અવધિનું વિતરણ દર્શાવે છે, જેનો મધ્યક 440 as છે. અંતે, પલ્સ ઊર્જા માપવા માટે ગેસ મોનિટરિંગ ડિટેક્ટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો, અને આકૃતિ 2 (b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે પીક પલ્સ પાવર અને પલ્સ અવધિ વચ્ચેના સ્કેટર પ્લોટની ગણતરી કરવામાં આવી હતી. ત્રણેય રૂપરેખાંકનો વિવિધ ઇલેક્ટ્રોન બીમ ફોકસિંગ પરિસ્થિતિઓ, વેવર કોનિંગ પરિસ્થિતિઓ અને ચુંબકીય કોમ્પ્રેસર વિલંબ પરિસ્થિતિઓને અનુરૂપ છે. ત્રણેય રૂપરેખાંકનોએ અનુક્રમે 150, 200 અને 260 µJ ની સરેરાશ પલ્સ ઊર્જા પ્રાપ્ત કરી, જેની મહત્તમ પીક પાવર 1.1 TW છે.

આકૃતિ 2. (a) અર્ધ-ઊંચાઈ પૂર્ણ પહોળાઈ (FWHM) પલ્સ અવધિનો વિતરણ હિસ્ટોગ્રામ; (b) પીક પાવર અને પલ્સ અવધિને અનુરૂપ સ્કેટર પ્લોટ

વધુમાં, અભ્યાસમાં પ્રથમ વખત એક્સ-રે બેન્ડમાં સોલિટોન જેવી સુપરએમિશનની ઘટના પણ જોવા મળી, જે એમ્પ્લીફિકેશન દરમિયાન સતત પલ્સ શોર્ટનિંગ તરીકે દેખાય છે. તે ઇલેક્ટ્રોન અને રેડિયેશન વચ્ચે મજબૂત ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે થાય છે, જેમાં ઊર્જા ઝડપથી ઇલેક્ટ્રોનથી એક્સ-રે પલ્સના માથામાં અને પલ્સની પૂંછડીમાંથી ઇલેક્ટ્રોનમાં પાછી ટ્રાન્સફર થાય છે. આ ઘટનાના ઊંડાણપૂર્વકના અભ્યાસ દ્વારા, એવી અપેક્ષા રાખવામાં આવે છે કે ટૂંકા સમયગાળા અને ઉચ્ચ પીક ​​પાવરવાળા એક્સ-રે પલ્સ સુપરરેડિયેશન એમ્પ્લીફિકેશન પ્રક્રિયાને વિસ્તૃત કરીને અને સોલિટોન જેવા મોડમાં પલ્સ શોર્ટનિંગનો લાભ લઈને વધુ સાકાર કરી શકાય છે.