自由電子レーザーで使用されるプラズマ加速器

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ビデオ: X線自由電子レーザー施設「SACLA」 2023, 2月
自由電子レーザーで使用されるプラズマ加速器
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Anonim
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アンジュレータの出口での電子ビームの横方向のプロファイル

中国の物理学者は、プラズマを自由電子レーザーの加速部分として使用しています。作成されたインスタレーションで、科学者はコヒーレントX線放射の強力で短いビームを取得する方法を学びました。この結果は、プラズマ加速器を使用してコンパクトな自由電子レーザーを作成できることを確認しています。 Natureに掲載された記事の著者によると、これにより、これまで巨大で高価な無線周波数加速器のみに基づいて作成された自由電子レーザーの応用分野が拡大するでしょう。

人が観察できる物体のスケールと時間間隔は、物体に向けられた放射線ビームの波長と持続時間によって決まります。これは、どの波(実際には粒子)も、この波の長さよりも小さいサイズのオブジェクト(粒子の場合はドブロイ波)を観測するために使用できないという事実によるものです。したがって、たとえば、単純な光学顕微鏡を使用してマイクロメートルよりも小さい物体を研究することはできません。可視光線の最小波長は約400ナノメートルであるため、光はそのような物体に「気付かない」だけです。

したがって、微視的な物体やプロセスを観察するために、科学者はこれに使用される放射線の波長を短くすることを余儀なくされています。これを行う1つの方法は、高速電子を使用することです。高速電子は、高速で移動すると光子を強く放出します。自由電子レーザーはこの原理に基づいています。自由電子レーザーでは、電子は最初に高エネルギーに加速され、次にアンジュレーター(電子を正弦波軌道に沿って移動させる磁石のセット)を通過します。このような動きの過程で、電子は放射線を生成します。その波長は、振動の空間周期に比例し、エネルギーの2乗に反比例します。

したがって、科学者は強力なコヒーレントX線の短い(最大フェムト秒)パルスを受信できます。このような特性により、化学、構造生物学、その他の分野の枠組みの中で、非常に小さな空間的および時間的スケールで多種多様なオブジェクトやプロセスを研究するためにそれらを使用することが可能になります。しかし、自由電子レーザーの普及に対する主な障害は、そのコストとサイズです。電子を必要な数ギガ電子ボルトに加速するために、科学者は現在、無線周波数共振器に基づく巨大な加速器を使用しています。そのような設備のサイズが大きいのは、最大粒子加速率(メートルあたり数十メガ電子ボルト)を持っているという事実によるものですが、加速場の大きな値を達成できないため、これを超えることはできません。さらに、強力なコヒーレント放射を得るには、電子ビームが必要であり、エネルギーとパルスの広がりが10分の1パーセントを超えないため、加速要素にも制限が課せられます。

現在、WentaoWangとKeFengは、Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanicsの同僚とともに、プラズマ加速器を使用して、現在の自由電子レーザーの高コストと大型の問題を初めて解決することに成功しました。このタイプの電子加速器は、プラズマ内の電荷の振動を使用して超高磁場勾配を作成し、それに当たると電子が非常に急速に加速されます。さらに、プラズマで発生する電界は、高周波共振器で達成できる電界よりも桁違いに大きくなります。これは、そのような加速器がはるかに短い距離で電子エネルギーの同じ増加を提供できることを意味します。プラズマ加速器は素晴らしい未来を予測しますが、これまでのところ、この技術は開発の初期段階にあります。物理学者が高品質と高エネルギーのビームを同時に取得することは困難であり、同時にこれを安定して行うことは困難です。標準的な無線周波数設備の場合。これまで自由電子レーザーでのプラズマ加速器の使用を妨げてきたのはビーム品質です。

しかし、中国の科学者たちは、説明されている障害をなんとか克服してきました。彼らは、放物面鏡によって集束された強力なレーザーを使用して、ヘリウムが連続的に流れる幅6mmのチューブ内でプラズマ波を励起しました。このようにして作成された電界勾配では、プラズマ電子は最大490メガエレクトロンボルトのエネルギーに加速され、ビーム内に広がるエネルギーはわずか0.5パーセントでした。この手順を1〜5ヘルツの周波数で繰り返し、最大ビームエネルギーの変化は3%を超えず、アンジュレータに入る前のビームの横方向の寸法は1ミリメートル以内に留まりました。

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a-設置図; b-加速された電子のエネルギー分布。 c、d-アンジュレータの前後の電子ビームの横方向プロファイル。

アンジュレータに入ると、電子が放出され、それ自体の放射の作用下で、ビームは、放射波長のオーダーの縦方向のサイズを持ついくつかのマイクロビームに分割されました。これにより、マイクロビーム内の隣接する各電子からの放射が互いに加算され、その結果、アンジュレータの最後の磁石で100倍に増幅されました。出力では、科学者は27ナノメートルの波長の単色コヒーレント放射のパルスを受け取りました。各パルスで、科学者は最大100億個の光子を数え、そのようなパルスのエネルギーは150ナノジュールに達しました。物理学者はまた、アンジュレータに沿って電子ビームが前進する間に放射エネルギーがどのように正確に成長するかを調査しました。

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aは、放射エネルギーのアンジュレータ内の電子ビームが通過する長さへの依存性です。 b、c-指定されたポイントでの光子の横方向の空間分布。

科学者たちは、電子ビームの品質とアンジュレータへの正確な輸送の重要性に注目しています。これは、設備の立ち上げごとに達成することはできませんでした。しかし、物理学者の意見では、レーザー安定化、チューブ内のヘリウムの移動速度、および設備の他の実験パラメーターのより良い選択の助けを借りて、電子の安定した加速を達成することが可能です。プラズマ加速器を備えた自由電子レーザーの開発により、コンパクト(記載されている設備のサイズは12メートルを超えなかった)で安価(著者の推定によると約500万ドル)の設備を作成し、それによってそれらを拡張することが可能になります申し込み。

しかし今のところ、科学者は彼らが利用できるそれらの巨大で高価な設備に満足しなければなりません。例としては、寸法が3.4 kmのXFEL自由電子レーザーがあります。これについては、すでに最初の結果について説明しました。しかし、プラズマ加速器も絶えず進化しています。最近、物理学者はそのような設備の継続的な運用の記録を打ち立てました。

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