William Schulz, Lawrence Berkeley Milli Laboratoriyası

Lisa Lock tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriJeroen van Tilborg, Sam Barber və Carl Schroeder lazer plazma sürətləndiricisini (onların arxasında) aşağı axın dalğalandırıcıya birləşdirən şikan maqnitlərinə söykənirlər. Çikandakı elektron şüa ekskursiyası qalıq lazer işığının bloklanmasına imkan verir, eyni zamanda dilimlənmiş enerji yayılmasını azaltmaq üçün müxtəlif enerjili elektronları müvəqqəti olaraq ayırır. Kredit: Thor Swift/Berkeley Lab

ABŞ Energetika Departamentinin Lourens Berkli Milli Laboratoriyasının (Berkeley Laboratoriyası) alimlərinin TAU Systems Inc.-in alimləri ilə birgə apardıqları yeni tədqiqat daha kiçik və daha sərfəli rentgen şüalarından azad elektron lazerlər vədini reallığa bir addım daha yaxınlaşdırıb.

X-ray sərbəst elektron lazerlər (XFELs) güclü işıq mənbələridir və adətən böyük tədqiqat alətləridir. Alimlər onlardan təbiətin sirlərini atom səviyyəsində araşdırmaq üçün istifadə edərək, tibb, biologiya, fizika, materiallar və s. sahələrdə irəliləyişlərə imkan verir. Daha yığcam və daha ucuz XFEL-lərin yaradılmasına təkan verilməsinin bu texnologiyanı tətbiq edə biləcək obyektlərin sayını artıracağı və onun elmin bir çox sahələrinə təsirini xeyli genişləndirəcəyi gözlənilir.

Berkeley Laboratoriyasının Sürətləndirici Texnologiya və Tətbiqi Fizika (ATAP) bölməsində çalışan alim Sem Barber, “Bu səyin bir hissəsi olaraq, XFEL-lərin kiçilməsi üçün lazer plazma sürətləndirilməsi adlanan qabaqcıl sürətləndirici növündə çoxdankı təcrübəmizi tətbiq edirik” dedi. “Müstəqil işıq mənbələrinə əlavə olaraq, plazma sürətləndiricilərindən olan müstəsna yüksək keyfiyyətli elektron şüaları onların fəaliyyətini əhəmiyyətli dərəcədə artırmaq üçün mövcud XFEL-lərə vurula bilər.”

Barber , XFEL-lərin necə əhəmiyyətli dərəcədə kiçildiyinə dair təməl texnologiyanı nümayiş etdirən Physical Review Letters jurnalında dərc edilmiş yeni araşdırmanın ilk müəllifidir , lakin yenə də daha böyük maşınların diqqətəlayiq görmə qabiliyyətini təmin edir. Tədqiqatın digər həmmüəllifləri arasında Berkeley Laboratoriyasının əməkdaşı Jeroen van Tilborg, Carl Schroeder və TAU Systems Inc-in alimləri var.

XFEL-ləri azaltmaq üçün lazer plazma sürətləndiricilərindən istifadə

Tədqiqatçılar yeni işlərində yüksək keyfiyyətli elektron şüaları yaratmaq üçün lazer plazma sürətləndiricilərinin (LPA) istifadəsini inkişaf etdirirlər. Plazma müsbət yüklü ionlardan və mənfi yüklü elektronlardan ibarət bir qazdır. Berkeley Laboratoriyasının Lazer Sürətləndiricisi (BELLA) Mərkəzinin baş elmi işçisi van Tilborq öz metodu üçün izah etdi ki, elektron şüalarını sürətləndirmək üçün radiotezlik dalğalarını uzun xətti sürətləndiriciyə vurmaq əvəzinə, “biz plazmada [ elektron sıxlığı ] dalğasını həyəcanlandırdıq ki, bu da plazmada digər fonlar və elektronların sırasını dəyişə bilər. Sürətləndirici ilə müqayisədə 1000 dəfə daha sürətli.”

Tədqiqatçılar şərti xətti sürətləndiricidə hər metrə təxminən 50 meqavolt elektron şüa sürətləndirilməsi ilə məhdudlaşır . Plazmalarda isə hər metrə 100 gigavolt (GeV) mümkündür ki, bu da 1000 dəfədən çox güclüdür və bununla da sürətləndirici məsafəni daraldır.

Van Tilborq dedi: “Bunun mənası budur ki, siz çoxGeV elektron şüaları yarada bilərsiniz və bir kilometr [fiziki məkan] almaq əvəzinə, ora çatmaq üçün metr və ya daha az vaxt lazımdır.”

Bu yüksək enerjilərə çatmaq reseptin yalnız bir hissəsidir, çünki XFEL-lər həm də son dərəcə yüksək keyfiyyətli elektron şüaları tələb edir – plazmanın yüksək sahələrinin düzgün idarə olunarsa faydalı ola biləcəyi başqa bir cəhət. Bu iki şərt yerinə yetirilərsə və elektron şüa dalğalı maqnit adlanan xüsusi maqnit qurğularından keçdikdə, tərpənən şüa şüalanmağa başlayır. Şərtlər düzgündürsə, radiasiya dalğalı boyunca hərəkət edərkən eksponent olaraq güclənir və Yerin ən parlaq rentgen şüaları mənbələrini yaradır.

LPA-ların təmin etdiyi kompaktlıqdan istifadə etmək üçün plazma əsaslı sürətləndirici də etibarlı və sabit şəkildə yüksək keyfiyyətli elektron şüaları istehsal etməlidir. Bu işdə Berkeley Laboratoriyası komandası iş saatları ərzində müstəsna sabitlik və etibarlılıqla FEL radiasiyasının güclü eksponensial artımını nümayiş etdirərək bu məqsədə doğru mühüm addım atdı. Təcrübələr BELLA Mərkəzində illərdir hazırlanmaqda olan sistem üzrə aparılıb. Onların işi Wang et al tərəfindən əvvəllər LPA FEL işinin avansıdır . və Labat et al. LPA FEL fizikası və işıq mənbəyinin möhkəmliyi baxımından.

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .

Biologiya və digər tətbiqlərdə yeni sərhədlərin açılması

Kompakt XFEL-lərin vədi mürəkkəb zülalların yerində təsvirini təmin etməklə bioloji tədqiqatlarda, nanostrukturların güclü təsviri vasitəsilə materialşünaslıqda və ən qabaqcıl yarımkeçirici çiplərin istehsalı üçün fotolitoqrafiyada yeni sərhədlər aça bilər.

BELLA Mərkəzinin baş elmi işçisi Şröder, “LPA-lar yüksək gradient sürətləndirici texnologiyadır və kompaktlığın yüksək olduğu yerlərdə tətbiqlərə təsir etmək potensialına malikdir”. “LPA əsaslı sərbəst elektron lazerlərin inkişafı bu texnologiyanın digər tətbiqləri, məsələn, yüksək enerjili fizika üçün xətti sürətləndiricilər üçün mühüm addımdır.”

LPA-ların son dərəcə parlaq elektron şüaları istehsal etmək üçün müstəqil potensialı, həmçinin onların əhatə dairəsini genişləndirmək üçün mövcud XFEL qurğularını təkmilləşdirmək üçün bir yol təqdim edir. Ənənəvi FEL-lər adətən nəbz enerjisi yaylalarında eksponensial artımın olduğu sözdə doyma rejiminə çatır. Doyma rejimində LPA ilə idarə olunan FEL-in işlədilməsi və radiasiya dalğa uzunluğunu rentgen rejiminə itələmək LPA sahəsi üçün əsas növbəti addımlardır. “Biz əminik ki, BELLA Mərkəzində quraşdırmamız bizə mühüm irəliləyişləri davam etdirmək və LPA ilə idarə olunan işıq mənbələrinin inkişafı istiqamətində yol xəritəsi yaratmaq üçün ideal platforma verir” dedi Barber.

Bu işdə əsas rol TAU Systems Inc. Onların komandası sürətləndirici şüa fizikası və əməliyyat konsepsiyaları üzrə təcrübəni BELLA Mərkəzinin Yüz Terawatt dalğalandırıcı LPA FEL obyektinə gətirdi. Bu, plazma mənbəyində elektron şüasının dalğalandırıcıya və onun vasitəsilə uğurla birləşdirilməsində təsirli oldu. TAU Systems Inc.-dən bu layihə üzrə aparıcı alim Stiven Milton, “Bu FEL nəticələri LPA-nın sürətləndiricilərə necə baxdığımıza, onların nəyə bənzədiyinə və onlarla nəyin mümkün olduğuna dair inqilabi bir paradiqma dəyişikliyi açdığı müddəasını təsdiqləyir”.

Barber bu yaxınlarda nəşr olunan iş haqqında “Bu, böyük bir nəticədir” dedi. “İki və ya üç dərəcəli FEL artımının bu qədər əhəmiyyətli olması faktı LPA-nın FEL-lərin işləməsi üçün tələb olunan yüksək keyfiyyətli elektron şüaları istehsal etdiyini sübut edir. Və onun onlarla ardıcıl eksperimental kampaniyada belə etibarlı olması LPA-nın möhkəmliyindən danışır. Nəticədən çox razıyıq və hələ də masada daha çox şey var.”

“Yüksək keyfiyyətli (aşağı emissiyalı, yüksək zirvə cərəyanı) LPA elektron şüalarının inkişafı yeni FEL-ləri yığcamlaşdırmaq və mövcud işıq mənbələrinə təkmilləşdirmək üçün çox vacibdir, həmçinin yüksək parlaqlıqlı şüaların yüksək enerjili kollider fizikası üçün açar olduğu yüksək enerjili hissəcik toqquşdurucuları üçün yol xəritəsində əsas mərhələni təmsil edir”. Geddes, ATAP şöbəsinin müdiri.

Ətraflı məlumat: SK Barber və digərləri, Yüksək Etibarlılığa malik Lazer-Plazma Sürətləndiricisi ilə idarə olunan Sərbəst Elektron Lazerdə 1000 qatdan çox qazanc, Fiziki Baxış Məktubları (2025). DOI: 10.1103/vh62-gz1p

Jurnal məlumatı: Fiziki baxış məktubları 

Lawrence Berkeley Milli Laboratoriyası tərəfindən təmin edilmişdir