Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) в сотрудничестве 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 исследовательские инструменты. Учёные используют их для изучения секретов природы на атомном уровне, что позволяет добиться успехов в медицине, биологии, физике, материаловедении и других областях.
Стремление разработать более компактные и менее дорогие XFEL приведёт к увеличению количества установок, которые смогут внедрить эту технологию, что значительно расширит 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 ускорителей нового типа, называемых лазерно-плазменными ускорителями, чтобы уменьшить размеры XFEL».
Барбер — первый автор нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters. В нём продемонстрирована основополагающая технология, позволяющая значительно уменьшить размеры XFEL, сохранив при этом их впечатляющую мощность.
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 возможны 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 этих высоких энергий — лишь часть рецепта, поскольку для XFEL также требуются исключительно высококачественные электронные пучки — ещё один аспект, в котором высокочастотные поля плазмы 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 Berkeley Lab сделала значительный шаг к 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.
«ЛПУ — это технология высокоградиентных ускорителей, которая может повлиять на приложения, где важна компактность», — сказал Шредер, старший научный сотрудник BELLA Center. «Разработка лазеров на свободных электронах на основе ЛПУ — важный шаг к другим применениям этой технологии, таким как линейные ускорители для физики высоких энергий».
Потенциал ЛПУ для самостоятельного производства чрезвычайно ярких электронных пучков также открывает путь к модернизации существующих установок XFEL для расширения их возможностей.
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 источнике плазмы с ондулятором.
Стивен Милтон, ведущий научный сотрудник TAU Systems Inc. по этому проекту, сказал: «Эти результаты FEL подтверждают предположение о том, 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 настолько значительно, 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».
«Разработка высококачественных (с низкой эмиттансом, высоким пиковым током) электронных пучков ЛПУ имеет решающее значение для компактных новых FEL и модернизации существующих источников света, а также представляет собой ключевую веху на пути к высокоэнергетическим коллайдерам частиц, где высокояркие пучки являются ключом к экспериментам на коллайдерах физики высоких энергий со значимой статистикой», — сказал Кэмерон Геддес, директор отдела ATAP.
Предоставлено:
[Lawrence Berkeley National Laboratory](https://phys.org/partners/lawrence-berkeley-national-laboratory/)