TW વર્ગ એટોસેકન્ડ એક્સ-રે પલ્સ લેસર

TW વર્ગ એટોસેકન્ડ એક્સ-રે પલ્સ લેસર
એટોસેકન્ડ એક્સ-રેપલ્સ લેસરઅલ્ટ્રાફાસ્ટ નોનલાઇનર સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને એક્સ-રે ડિફ્રેક્શન ઇમેજિંગ હાંસલ કરવા માટે ઉચ્ચ શક્તિ અને ટૂંકી પલ્સ અવધિ એ ચાવી છે. યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં સંશોધન ટીમે બે તબક્કાના કાસ્કેડનો ઉપયોગ કર્યોએક્સ-રે ફ્રી ઇલેક્ટ્રોન લેસરોઅલગ એટોસેકન્ડ કઠોળ આઉટપુટ કરવા માટે. હાલના અહેવાલોની તુલનામાં, કઠોળની સરેરાશ ટોચની શક્તિ તીવ્રતાના ક્રમ દ્વારા વધે છે, મહત્તમ ટોચની શક્તિ 1.1 TW છે, અને મધ્ય ઊર્જા 100 μJ કરતાં વધુ છે. અભ્યાસ એક્સ-રે ક્ષેત્રમાં સોલિટોન જેવી સુપરરેડિયેશન વર્તણૂક માટે મજબૂત પુરાવા પણ પૂરા પાડે છે.ઉચ્ચ-ઊર્જા લેસરોઉચ્ચ-ક્ષેત્ર ભૌતિકશાસ્ત્ર, એટોસેકન્ડ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને લેસર પાર્ટિકલ એક્સિલરેટર્સ સહિત સંશોધનના ઘણા નવા ક્ષેત્રોને આગળ ધપાવ્યા છે. તમામ પ્રકારના લેસરોમાં, એક્સ-રેનો વ્યાપકપણે તબીબી નિદાન, ઔદ્યોગિક ખામી શોધવા, સલામતી નિરીક્ષણ અને વૈજ્ઞાનિક સંશોધનમાં ઉપયોગ થાય છે. એક્સ-રે ફ્રી-ઈલેક્ટ્રોન લેસર (XFEL) અન્ય એક્સ-રે જનરેશન ટેક્નોલોજીઓની સરખામણીમાં પીક એક્સ-રે પાવરને મેગ્નિટ્યુડના ઘણા ઓર્ડર્સ દ્વારા વધારી શકે છે, આમ એક્સ-રેના ઉપયોગને નોનલાઇનર સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને સિંગલ- કણ વિવર્તન ઇમેજિંગ જ્યાં ઉચ્ચ શક્તિ જરૂરી છે. તાજેતરની સફળ એટોસેકન્ડ XFEL એ એટોસેકન્ડ વિજ્ઞાન અને ટેક્નોલોજીમાં એક મોટી સિદ્ધિ છે, જે બેન્ચટોપ એક્સ-રે સ્ત્રોતોની સરખામણીમાં ઉપલબ્ધ પીક પાવરમાં છ ઓર્ડરથી વધુ તીવ્રતાનો વધારો કરે છે.

મફત ઇલેક્ટ્રોન લેસરોસામૂહિક અસ્થિરતાનો ઉપયોગ કરીને સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જન સ્તર કરતાં વધુ તીવ્રતાના ઘણા ઓર્ડરો પલ્સ એનર્જી મેળવી શકે છે, જે સાપેક્ષ ઇલેક્ટ્રોન બીમ અને ચુંબકીય ઓસિલેટરમાં રેડિયેશન ક્ષેત્રની સતત ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે થાય છે. સખત એક્સ-રે શ્રેણીમાં (લગભગ 0.01 nm થી 0.1 nm તરંગલંબાઇ), FEL બંડલ કમ્પ્રેશન અને પોસ્ટ-સેચ્યુરેશન કોનિંગ તકનીકો દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે. સોફ્ટ એક્સ-રે રેન્જમાં (આશરે 0.1 nm થી 10 nm તરંગલંબાઇ), FEL ને કાસ્કેડ ફ્રેશ-સ્લાઈસ ટેકનોલોજી દ્વારા અમલમાં મૂકવામાં આવે છે. તાજેતરમાં, 100 GW ની ટોચની શક્તિ સાથે એટોસેકન્ડ કઠોળ ઉન્નત સ્વ-એમ્પ્લીફાઇડ સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જન (ESASE) પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને ઉત્પન્ન થયા હોવાનું નોંધવામાં આવ્યું છે.

સંશોધન ટીમે લિનાક કોહેરન્ટમાંથી સોફ્ટ એક્સ-રે એટોસેકન્ડ પલ્સ આઉટપુટને વિસ્તૃત કરવા માટે XFEL પર આધારિત બે-તબક્કાની એમ્પ્લીફિકેશન સિસ્ટમનો ઉપયોગ કર્યો હતો.પ્રકાશ સ્ત્રોતTW સ્તર સુધી, અહેવાલ પરિણામો કરતાં તીવ્રતામાં સુધારણાનો ઓર્ડર. પ્રાયોગિક સેટઅપ આકૃતિ 1 માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. ESASE પદ્ધતિના આધારે, ફોટોકેથોડ એમિટરને ઉચ્ચ વર્તમાન સ્પાઇક સાથે ઇલેક્ટ્રોન બીમ મેળવવા માટે મોડ્યુલેટ કરવામાં આવે છે, અને તેનો ઉપયોગ એટોસેકન્ડ એક્સ-રે પલ્સ બનાવવા માટે થાય છે. પ્રારંભિક પલ્સ ઇલેક્ટ્રોન બીમની સ્પાઇકની આગળની ધાર પર સ્થિત છે, જેમ કે આકૃતિ 1 ના ઉપરના ડાબા ખૂણામાં બતાવ્યા પ્રમાણે. જ્યારે XFEL સંતૃપ્તિ સુધી પહોંચે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન બીમ ચુંબકીય કોમ્પ્રેસર દ્વારા એક્સ-રેની તુલનામાં વિલંબિત થાય છે, અને પછી પલ્સ ઇલેક્ટ્રોન બીમ (તાજા સ્લાઇસ) સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે જે ESASE મોડ્યુલેશન અથવા FEL લેસર દ્વારા સુધારેલ નથી. છેલ્લે, બીજા ચુંબકીય અંડ્યુલેટરનો ઉપયોગ તાજા ટુકડા સાથે એટોસેકન્ડ કઠોળની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા એક્સ-રેને વધુ વિસ્તૃત કરવા માટે થાય છે.

અંજીર. 1 પ્રાયોગિક ઉપકરણ ડાયાગ્રામ; ચિત્ર રેખાંશ તબક્કાની જગ્યા (ઈલેક્ટ્રોનનો સમય-ઊર્જા રેખાકૃતિ, લીલો), વર્તમાન રૂપરેખા (વાદળી), અને પ્રથમ-ક્રમ એમ્પ્લીફિકેશન (જાંબલી) દ્વારા ઉત્પાદિત રેડિયેશન દર્શાવે છે. XTCAV, એક્સ-બેન્ડ ટ્રાંસવર્સ કેવિટી; cVMI, કોક્સિયલ રેપિડ મેપિંગ ઇમેજિંગ સિસ્ટમ; FZP, ફ્રેસ્નલ બેન્ડ પ્લેટ સ્પેક્ટ્રોમીટર

તમામ એટોસેકન્ડ કઠોળ અવાજથી બનેલ છે, તેથી દરેક પલ્સ અલગ-અલગ વર્ણપટ અને સમય-ડોમેન ગુણધર્મો ધરાવે છે, જે સંશોધકોએ વધુ વિગતવાર શોધ્યું છે. સ્પેક્ટ્રાના સંદર્ભમાં, તેઓએ ફ્રેસ્નલ બેન્ડ પ્લેટ સ્પેક્ટ્રોમીટરનો ઉપયોગ અલગ-અલગ સમકક્ષ અંડ્યુલેટર લંબાઈ પર વ્યક્તિગત કઠોળના સ્પેક્ટ્રાને માપવા માટે કર્યો હતો, અને જાણવા મળ્યું હતું કે આ સ્પેક્ટ્રા ગૌણ એમ્પ્લીફિકેશન પછી પણ સરળ તરંગસ્વરૂપ જાળવી રાખે છે, જે દર્શાવે છે કે કઠોળ એકીકૃત છે. ટાઈમ ડોમેનમાં, કોણીય ફ્રિન્જ માપવામાં આવે છે અને પલ્સના ટાઈમ ડોમેન વેવફોર્મને 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 ફોટોઈલેક્ટ્રોન ઇન્ફ્રારેડ લેસરના વેક્ટર સંભવિતની વિરુદ્ધ દિશામાં છટાઓ ઉત્પન્ન કરશે. કારણ કે લેસરનું વિદ્યુત ક્ષેત્ર સમય સાથે ફરે છે, ફોટોઇલેક્ટ્રોનનું વેગ વિતરણ ઇલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જનના સમય દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે, અને ઉત્સર્જન સમયના કોણીય મોડ અને ફોટોઇલેક્ટ્રોનના વેગ વિતરણ વચ્ચેનો સંબંધ સ્થાપિત થાય છે. ફોટોઇલેક્ટ્રોન મોમેન્ટમનું વિતરણ કોએક્સિયલ ફાસ્ટ મેપિંગ ઇમેજિંગ સ્પેક્ટ્રોમીટરનો ઉપયોગ કરીને માપવામાં આવે છે. વિતરણ અને સ્પેક્ટ્રલ પરિણામોના આધારે, એટોસેકન્ડ કઠોળના સમય-ડોમેન વેવફોર્મનું પુનર્નિર્માણ કરી શકાય છે. આકૃતિ 2 (a) પલ્સ અવધિનું વિતરણ દર્શાવે છે, જેની મધ્ય 440 તરીકે છે. છેલ્લે, પલ્સ એનર્જીને 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. ત્રણ રૂપરેખાંકનો વિવિધ ઈલેક્ટ્રોન બીમ ફોકસિંગ કંડીશન, વેવર કોનિંગ કન્ડીશન અને મેગ્નેટિક કોમ્પ્રેસર વિલંબની સ્થિતિને અનુરૂપ છે. ત્રણ રૂપરેખાંકનોએ 1.1 TW ની મહત્તમ શક્તિ સાથે અનુક્રમે 150, 200 અને 260 µJ ની સરેરાશ પલ્સ એનર્જી આપી હતી.

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

વધુમાં, અભ્યાસમાં એક્સ-રે બેન્ડમાં સોલિટોન જેવી સુપરએમિશનની ઘટના પણ પ્રથમ વખત જોવા મળી હતી, જે એમ્પ્લીફિકેશન દરમિયાન સતત પલ્સ શોર્ટનિંગ તરીકે દેખાય છે. તે ઇલેક્ટ્રોન અને કિરણોત્સર્ગ વચ્ચેની મજબૂત ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે થાય છે, ઇલેક્ટ્રોનથી એક્સ-રે પલ્સના માથામાં અને પલ્સની પૂંછડીમાંથી ઇલેક્ટ્રોનમાં ઝડપથી ઊર્જા ટ્રાન્સફર થાય છે. આ ઘટનાના ઊંડાણપૂર્વકના અભ્યાસ દ્વારા, એવી અપેક્ષા રાખવામાં આવે છે કે ટૂંકી અવધિ અને ઉચ્ચ શિખર શક્તિ સાથે એક્સ-રે પલ્સ સુપરરેડિયેશન એમ્પ્લીફિકેશન પ્રક્રિયાને વિસ્તૃત કરીને અને સોલિટોન જેવા મોડમાં પલ્સ શોર્ટનિંગનો લાભ લઈને વધુ સાકાર કરી શકાય છે.