Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab), входящей в Министерство энергетики США, совместно с учёными из TAU Systems Inc., приблизились к созданию более компактных и доступных лазеров на свободных электронах в рентгеновском диапазоне (XFEL).
Лазеры на свободных электронах в рентгеновском диапазоне (XFEL) — это мощные источники света, которые обычно представляют собой крупные научные приборы. Учёные используют их для изучения тайн природы на атомном уровне, что способствует прогрессу в медицине, биологии, физике, материаловедении и других областях.
Стремление разработать более компактные и менее дорогие XFEL ожидается, что увеличит количество установок, которые смогут внедрить эту технологию, значительно расширив её влияние во многих областях науки.
Сэм Барбер, научный сотрудник отдела технологии ускорителей и прикладной физики (ATAP) в Berkeley Lab, сказал: «В рамках этих усилий мы применяем наш многолетний опыт в области типа передовых ускорителей, называемых лазерно-плазменными ускорителями, чтобы уменьшить размеры XFEL».
Барбер является первым автором нового исследования, опубликованного в Physical Review Letters, которое демонстрирует основополагающую технологию того, как XFEL могут быть значительно уменьшены в размерах, но при этом сохранять впечатляющую мощность наблюдения, характерную для более крупных установок.
Другие соавторы исследования — Джероен ван Тилборг, Карл Шредер из Berkeley Lab и учёные из TAU Systems Inc.
В своей новой работе исследователи продвигают использование лазерно-плазменных ускорителей (ЛПУ) для генерации высококачественных электронных пучков. Плазма — это газ из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов.
Ван Тилборг, старший научный сотрудник Центра лазерного ускорителя Berkeley Lab (BELLA), объяснил, что вместо того, чтобы закачивать радиочастотные волны в длинный линейный ускоритель для ускорения электронных пучков, «мы возбуждаем волну [электронной плотности] в плазме, в которой другие фоновые плазменные электроны могут двигаться и ускоряться примерно в 1000 раз быстрее, чем в ускорителе».
Исследователи ограничены ускорением электронных пучков примерно до 50 мегавольт на метр в обычном линейном ускорителе. Однако в плазме возможно ускорение до 100 гигавольт (ГэВ) на метр, что более чем в 1000 раз сильнее, что позволяет сократить расстояние ускорителя.
Ван Тилборг сказал: «Это означает, что вы можете генерировать электронные пучки с многомегавольтным потенциалом, и вместо того, чтобы занимать километр [физического пространства], для этого требуются метры или меньше».
Достижение таких высоких энергий — это только часть рецепта, поскольку для XFEL также требуются исключительно высококачественные электронные пучки — ещё один аспект, в котором плазменные поля могут быть полезны, если их правильно контролировать.
Чтобы использовать компактность, которую обеспечивают ЛПУ, плазменный ускоритель также должен надёжно и стабильно производить высококачественные электронные пучки. В этой работе команда из Berkeley Lab сделала значительный шаг к достижению этой цели, продемонстрировав сильный экспоненциальный рост излучения FEL с исключительной стабильностью и надёжностью в течение нескольких часов работы.
Перспективы создания компактных XFEL могут открыть новые горизонты в биологических исследованиях, позволяя визуализировать сложные белки на месте, в материаловедении — благодаря мощной визуализации наноструктур и в фотолитографии — для производства самых передовых полупроводниковых чипов.
Шредер, старший научный сотрудник в BELLA Center, сказал: «ЛПУ — это технология высокоградиентного ускорителя, которая может повлиять на приложения, где важна компактность».
Автономный потенциал ЛПУ для производства чрезвычайно ярких электронных пучков также открывает путь к модернизации существующих установок XFEL для расширения их возможностей.
Сэм Барбер сказал: «Мы уверены, что наша установка в Центре BELLA даёт нам идеальную платформу для дальнейшего достижения знаковых результатов и разработки дорожной карты для создания лазеров на основе ЛПУ».
Компания TAU Systems Inc. сыграла ключевую роль в этой работе. Их команда привнесла экспертные знания в области физики пучков ускорителей и операционных концепций на установку BELLA Center Hundred Terawatt Undulator LPA FEL. Это оказалось важным для успешной связи электронного пучка в плазменном источнике с ондулятором.
Стивен Милтон, ведущий учёный из TAU Systems Inc. в этом проекте, сказал: «Эти результаты FEL подтверждают предположение, что ЛПУ открыли революционный сдвиг парадигмы в том, как мы рассматриваем ускорители, как они выглядят и что с ними возможно».
«Это большой результат, — сказал Барбер о недавно опубликованной работе. — Тот факт, что усиление FEL на два-три порядка величины является столь значительным, доказывает, что ЛПУ производят высококачественные электронные пучки, необходимые для работы FEL. И тот факт, что это настолько надёжно в течение десятков последовательных экспериментальных кампаний, говорит о надёжности ЛПУ. Мы очень довольны результатом, и на этом всё не заканчивается».
Камерон Геддес, директор отдела ATAP, сказал: «Разработка высококачественных (с низкой эмиттансом, высоким пиковым током) электронных пучков ЛПУ имеет решающее значение для создания новых компактных FEL и модернизации существующих источников света, а также представляет собой ключевой этап на пути к созданию коллайдеров частиц высоких энергий, где высокояркие пучки являются ключом к экспериментам на коллайдерах высоких энергий».
new study published in Physical Review Letters that demonstrates foundational technology on how XFELs might be scaled down significantly, yet still deliver the remarkable seeing power of much larger machines. Other co-authors of the study include Berkeley Lab’s Jeroen van Tilborg, Carl Schroeder, and scientists from TAU Systems Inc.”,”In their new work, the researchers advance the use of laser plasma accelerators (LPAs) to generate high-quality electron beams. The plasma is a gas of positively charged ions and negatively charged electrons. For their method, van Tilborg, a senior scientist at the Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, explained that rather than pumping radio-frequency waves into a long linear accelerator to accelerate the electron beams, \”we excited a wave [of electron density] in the plasma, in which other background plasma electrons can ride and accelerate on order of 1,000 times faster than in an accelerator.\””,”Researchers are limited to electron beam acceleration gains of about 50 megavolts per meter in a conventional linear accelerator. With plasmas, however, 100 gigavolts (GeV) per meter are possible, which is more than 1,000 times stronger, thus shrinking the accelerator distance.”,”\”What that all translates to,\” said van Tilborg, \”is that you can generate multi-GeV electron beams, and rather than it taking a kilometer [of physical space], it takes meters or less to get there.\””,”Reaching these high energies is only one part of the recipe, as XFELs also require exceptionally high-quality electron beams—another aspect where the high fields of the plasma can be helpful if controlled correctly. If these two conditions are met, and when the electron beam traverses special magnetic devices called undulator magnets, the wiggling beam begins to radiate. If conditions are just right, the radiation amplifies exponentially as it moves along the undulator, creating some of Earth’s brightest sources of X-rays.”,”To exploit the compactness LPAs provide, the plasma-based accelerator also needs to produce high-quality electron beams reliably and stably. In this work, the Berkeley Lab team made a significant step toward this goal by demonstrating strong exponential growth of the FEL radiation with exceptional stability and reliability over hours of operation. The experiments were carried out at the BELLA Center on a system years in the making. Their work is an advance to earlier LPA FEL work by Wang et al. and Labat et al. in terms of LPA FEL physics and light source robustness.”,”The promise of compact XFELs could open new frontiers in biological research by enabling on-site imaging of complex proteins, in materials science through powerful imaging of nanostructures, and in photolithography for manufacturing the most advanced semiconductor chips.”,”\”LPAs are a high-gradient accelerator technology that has the potential to impact applications where there is a premium on compactness,\” said Schroeder, a senior scientist in the BELLA Center. \”Development of LPA-based free-electron lasers is an important stepping stone to other applications of this technology, such as linear accelerators for high-energy physics.\””,”The standalone potential of LPAs to produce extremely bright electron beams also offers a path towards upgrading existing XFEL facilities to extend their reach. Conventional FELs typically reach the so-called saturation regime, where the exponential increase in pulse energy plateaus. Operating an LPA-driven FEL in the saturation regime, and pushing the radiation wavelength into the X-ray regime, are major next steps for the LPA field. \”We’re confident that our setup at the BELLA Center gives us an ideal platform to continue to make milestone progress and establish a roadmap towards the development of LPA-driven light sources,\” said Barber.”,”TAU Systems Inc. played a key role in this work. Their team brought expertise on accelerator beam physics and operational concepts to the BELLA Center’s Hundred Terawatt Undulator LPA FEL facility. This proved impactful in successfully coupling the electron beam at the plasma source to and through the undulator. \”These FEL results confirm the premise that the LPA has opened a revolutionary paradigm shift in how we view accelerators, what they look like, and what is possible with them,\” said Stephen Milton, the lead scientist from TAU Systems Inc. on this project.”,”\”It’s a big result,\” Barber said of the recently published work. \”The fact that the two to three orders of magnitude FEL gain is so significant proves the LPA is producing the high-quality electron beams required to make FELs work. And the fact that it’s so reliable over tens of successive experimental campaigns speaks to the robustness of the LPA. We’re very happy with the result, and there’s still more on the table.\””,”\”The development of high-quality (low-emittance, high peak-current) LPA electron beams is critical to compact new FELs and upgrades to existing light sources, and also represents a key milestone on the roadmap to high-energy particle colliders where high-brightness beams are a key to high-energy physics colliders experiments at meaningful statistics,\” said Cameron Geddes, director of the ATAP Division.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tLawrence Berkeley National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник