Международный коллектив под руководством Мичиганского университета, проведя эксперименты на британской Центральной лазерной установке, исследовал ключевые аспекты электронных импульсов, которые могут генерировать лазерные импульсы рентгеновского излучения.
Эти рентгеновские импульсы могут способствовать развитию химии, биологии, материаловедения и физики, позволяя учёным детально изучать поведение молекул. Метод также может быть полезен в клинической медицине для визуализации мягких тканей и органов.
Поскольку импульсы очень короткие — их длительность составляет фемтосекунды (квадриллионные доли секунды), — они могут фиксировать химические реакции, раскрывая «хореографию» атомов и молекул, включая крупные биомолекулы, такие как белки. Эти исследования ценны как для фундаментальных исследований в области квантовой механики, так и для прикладных задач химии, например, для открытия лекарств.
Профессор ядерной инженерии и радиационных наук в Мичиганском университете Алек Томас, являющийся автором исследования, опубликованного в журнале Physical Review X, отметил: «Мы надеемся, что лазерно-плазменные ускорители смогут уменьшить размеры источников рентгеновского излучения на свободных электронах (XFEL) до размеров стола и значительно расширить доступ к ним. Однако одним из препятствий является качество пучка. Новая диагностика показывает, что пучки, которые мы производим, имеют гораздо лучшее качество, чем предполагалось ранее».
Электронные импульсы, используемые для генерации интенсивного рентгеновского излучения, обычно создаются в ускорителях длиной в сотни метров, доступных только в одной лаборатории в США и ещё пяти по всему миру, согласно Томасу. Но способ ускорения электронов с помощью мощных лазерных импульсов может сделать эту технологию более доступной, используя недорогие, коммерчески доступные детали и требуя меньшей лабораторной площади.
Новый подход
Новый подход заключается в пропускании фемтосекундного лазерного импульса через облако газа. Свет отрывает электроны от атомов в газе, и некоторые из этих электронов увлекаются следом за лазерным импульсом — это явление известно как лазерное ускорение на волне. Характеристики этого электронного пучка определяют свойства рентгеновского импульса, который он может произвести.
Международная группа продемонстрировала метод картирования электронов в импульсе, их направления и скорости. В частности, они могут разделить луч на срезы и определить распределение энергии в этих срезах.
«Разрешение нашего метода во времени составляет примерно одну фемтосекунду, что лучше, чем у диагностики, доступной в современных традиционных радиочастотных ускорителях», — сказал Йонг Ма, ассистент-исследователь в области ядерной инженерии и радиационных наук.
Команда разработала эксперимент на лазере Gemini в Дидкоте, Великобритания. Волновой рисунок в лазерном свете, используемом для ускорения электронов, уже отпечатывается на электронном пучке, создавая предсказуемый волновой рисунок. Однако импульс каждого электрона создаёт отклонения от ожидаемого рисунка, и команда смогла прочитать эти отклонения, чтобы реконструировать характеристики электронного пучка.
Они измерили луч, отклонив его на экран, разделив электроны по энергии и измерив угол, под которым каждый электрон ударил. Это дало импульс каждого электрона, а также указало на его исходное местоположение в луче. Затем команда создала алгоритм машинного обучения, который мог бы взять эти данные и реконструировать детали исходного импульса.
Эта информация может быть использована для настройки характеристик электронных пучков в будущих компактных рентгеновских установках. Чтобы продолжить изучение методов измерения электронных пучков, полученных с помощью лазерных импульсов, команда запланировала эксперимент на Европейской инфраструктуре экстремального света (ELI) в Чехии, которая сотрудничает с Национальным научным фондом США. Они также намерены использовать новую технику на ZEUS — самом мощном лазере в США, расположенном в Мичиганском университете.
Предоставлено Мичиганским университетом.
material science and physics by enabling researchers to measure the way molecules behave in great detail. The technique may also be useful in clinical medicine for imaging soft tissues and organs.”,”Because the pulses are so short, quadrillionths of a second (femtoseconds) long, they can take snapshots of chemical reactions, revealing the choreography of atoms and molecules, including larger biomolecules such as proteins. These studies are valuable for both basic research, down to quantum mechanics, and applications of chemistry such as drug discovery.”,”\”We hope that laser-plasma accelerators will be able to shrink XFELs to the size of a tabletop and dramatically increase access to XFEL sources, but one obstacle is the beam quality. This new diagnostic indicates that the beams we produce have much better quality than previously thought,\” said Alec Thomas, a professor of nuclear engineering and radiological sciences at U-M and corresponding author of the study published in Physical Review X.”,”Electron pulses used to generate intense X-rays are conventionally produced in accelerators that are hundreds of meters long, available at only one laboratory in the U.S. and five more scattered around the world, according to Thomas. But a way of accelerating electrons with powerful laser pulses could make the technique more accessible, using lower-cost, commercially available parts and requiring a smaller laboratory footprint.”,”The new approach runs a femtosecond-scale laser pulse through a cloud of gas. The light rips electrons off the atoms in the gas, and some of these electrons are pulled along in the wake of the laser pulse, a phenomenon known as laser wakefield acceleration. The characteristics of this electron beam determine the qualities of the X-ray pulse it can produce. For instance, to generate the laser-like X-ray pulses that are good for imaging soft tissues, the electrons need to be clumped together in bunches within the pulse.”,”The international team has demonstrated a method for mapping out the electrons in the pulse, where they’re headed and how fast they’re moving. In particular, they can divide the beam into slices and figure out the energy distributions within those slices.”,”\”The resolution of our method, in time, is approximately one femtosecond, which is better than the diagnostics available at state-of-the-art conventional radio-frequency accelerators,\” said Yong Ma, an assistant research scientist in nuclear engineering and radiological sciences.”,”The team worked out how to achieve this resolution through an experiment on the Gemini laser in Didcot, U.K. The wave pattern in the laser light used to accelerate the electrons already imprints on the electron beam, creating a predictable wave pattern. However, the momentum of each electron creates deviations from the expected pattern, and the team was able to read those deviations to reconstruct qualities of the electron beam.”,”They measured the beam by deflecting it onto a screen, separating the electrons according to energy and measuring the angle at which each electron struck. This gave the momentum of each electron while also pointing back to its original location in the beam. The team then built a machine learning algorithm that could take that data and reconstruct the details of the original pulse.”,”This information can be used to tune the qualities of electron beams in future compact X-ray facilities. To continue exploring how to measure electron beams produced by laser pulses, the team has an upcoming experiment planned at Europe’s Extreme Light Infrastructure (ELI) Beamlines in Czechia, which partners with the U.S. NSF. They also intend to use the new technique on ZEUS, the highest-power laser in the U.S., located at U-M.”,”\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\tUniversity of Michigan\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