TW အမျိုးအစား attosecond X-ray pulse laser
အက်တိုစက္ကန့် ဓာတ်မှန်ပဲ့တင်သံလေဆာအလွန်မြန်ဆန်သော nonlinear spectroscopy နှင့် X-ray diffraction imaging ရရှိရန် အဓိကသော့ချက်မှာ မြင့်မားသောပါဝါနှင့် pulse duration တိုတောင်းခြင်းဖြစ်သည်။ အမေရိကန်ပြည်ထောင်စုရှိ သုတေသနအဖွဲ့သည် two-stage cascade ကို အသုံးပြုခဲ့သည်။X-ray ကင်းစင်သော အီလက်ထရွန်လေဆာများdiscrete attosecond pulses များထုတ်ပေးရန်။ လက်ရှိအစီရင်ခံစာများနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက pulses များ၏ ပျမ်းမျှ peak power သည် အဆပေါင်းများစွာတိုးလာပြီး အမြင့်ဆုံး peak power မှာ 1.1 TW ဖြစ်ပြီး median energy မှာ 100 μJ ထက်ပိုသည်။ ဤလေ့လာမှုသည် X-ray လယ်ကွင်းတွင် soliton ကဲ့သို့သော superradiation အပြုအမူအတွက် ခိုင်မာသောအထောက်အထားကိုလည်း ပေးစွမ်းသည်။စွမ်းအင်မြင့်လေဆာများမြင့်မားသောလယ်ကွင်းရူပဗေဒ၊ attosecond spectroscopy နှင့် လေဆာအမှုန်အရှိန်မြှင့်ကိရိယာများ အပါအဝင် သုတေသနနယ်ပယ်အသစ်များစွာကို မောင်းနှင်ခဲ့သည်။ လေဆာအမျိုးအစားအားလုံးထဲတွင် X-ray များကို ဆေးဘက်ဆိုင်ရာရောဂါရှာဖွေခြင်း၊ စက်မှုလုပ်ငန်းဆိုင်ရာချို့ယွင်းချက်ရှာဖွေခြင်း၊ ဘေးကင်းရေးစစ်ဆေးခြင်းနှင့် သိပ္ပံနည်းကျသုတေသနတို့တွင် ကျယ်ကျယ်ပြန့်ပြန့်အသုံးပြုကြသည်။ X-ray free-electron laser (XFEL) သည် အခြား X-ray ထုတ်လုပ်မှုနည်းပညာများနှင့်နှိုင်းယှဉ်ပါက အမြင့်ဆုံး X-ray ပါဝါကို အဆပေါင်းများစွာတိုးမြှင့်ပေးနိုင်သောကြောင့် မြင့်မားသောပါဝါလိုအပ်သည့် nonlinear spectroscopy နှင့် single-particle diffraction imaging နယ်ပယ်သို့ X-ray များ၏အသုံးချမှုကို တိုးချဲ့ပေးသည်။ မကြာသေးမီကအောင်မြင်ခဲ့သော attosecond XFEL သည် attosecond သိပ္ပံနှင့်နည်းပညာတွင် အဓိကအောင်မြင်မှုတစ်ခုဖြစ်ပြီး benchtop X-ray ရင်းမြစ်များနှင့်နှိုင်းယှဉ်ပါက ရရှိနိုင်သောအမြင့်ဆုံးပါဝါကို အဆခြောက်ဆင့်ထက်ပို၍ တိုးမြှင့်ပေးပါသည်။
အခမဲ့ အီလက်ထရွန် လေဆာများrelativistic electron beam နှင့် magnetic oscillator တွင် radiation field ၏ စဉ်ဆက်မပြတ် interaction ကြောင့်ဖြစ်ပေါ်လာသော collective instability ကို အသုံးပြု၍ spontaneous emission level ထက် အဆပေါင်းများစွာပိုမိုမြင့်မားသော pulse energies များကို ရယူနိုင်သည်။ hard X-ray range (0.01 nm မှ 0.1 nm wavelength ခန့်) တွင် FEL ကို bundle compression နှင့် post-saturation coning techniques များဖြင့် ရရှိသည်။ soft X-ray range (0.1 nm မှ 10 nm wavelength ခန့်) တွင် FEL ကို cascade fresh-slice technology ဖြင့် အကောင်အထည်ဖော်သည်။ မကြာသေးမီက 100 GW အမြင့်ဆုံး power ရှိသော attosecond pulses များကို enhanced self-amplified spontaneous emission (ESASE) method ကို အသုံးပြု၍ ထုတ်ပေးကြောင်း သတင်းပို့ထားသည်။
သုတေသနအဖွဲ့သည် XFEL ကိုအခြေခံသည့် အဆင့်နှစ်ဆင့် ချဲ့ထွင်မှုစနစ်ကို အသုံးပြု၍ linac coherent မှ soft X-ray attosecond pulse output ကို ချဲ့ထွင်ခဲ့သည်။အလင်းရင်းမြစ်TW အဆင့်အထိ၊ အစီရင်ခံထားသောရလဒ်များထက် အဆပေါင်းများစွာတိုးတက်မှုရှိသည်။ စမ်းသပ်မှုပုံစံကို ပုံ ၁ တွင်ပြသထားသည်။ ESASE နည်းလမ်းအပေါ်အခြေခံ၍ photocathode emitter ကို မြင့်မားသောလျှပ်စီးကြောင်း spike ရှိသော electron beam ရရှိရန် modulate လုပ်ထားပြီး attosecond X-ray pulses များကိုထုတ်လုပ်ရန်အသုံးပြုသည်။ ပုံ ၁ ၏အပေါ်ဘယ်ဘက်ထောင့်တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း initial pulse သည် electron beam ၏ spike ၏ရှေ့အစွန်းတွင်တည်ရှိသည်။ XFEL သည် saturation သို့ရောက်ရှိသောအခါ၊ electron beam ကို magnetic compressor ဖြင့် X-ray နှင့်နှိုင်းယှဉ်လျှင်နှောင့်နှေးစေပြီး ထို့နောက် pulse သည် ESASE modulation သို့မဟုတ် FEL laser မှပြုပြင်မထားသော electron beam (fresh slice) နှင့်အပြန်အလှန်အကျိုးသက်ရောက်သည်။ နောက်ဆုံးတွင်၊ attosecond pulses များသည် fresh slice နှင့်အပြန်အလှန်အကျိုးသက်ရောက်မှုမှတစ်ဆင့် X-rays များကိုပိုမိုများပြားစေရန်ဒုတိယ magnetic undulator ကိုအသုံးပြုသည်။
ပုံ ၁။ စမ်းသပ်ကိရိယာပုံ။ ပုံတွင် longitudinal phase space (အီလက်ထရွန်၏ အချိန်-စွမ်းအင်ပုံ၊ အစိမ်းရောင်)၊ လျှပ်စီးကြောင်းပရိုဖိုင် (အပြာရောင်) နှင့် first-order amplification မှထုတ်လုပ်သော ရောင်ခြည် (ခရမ်းရောင်) တို့ကို ပြသထားသည်။ XTCAV၊ X-band transverse cavity; cVMI၊ coaxial rapid mapping imaging system; FZP၊ Fresnel band plate spectrometer
attosecond pulses အားလုံးကို noise မှတည်ဆောက်ထားသောကြောင့် pulse တစ်ခုစီတွင် မတူညီသော spectral နှင့် time-domain ဂုဏ်သတ္တိများရှိပြီး သုတေသီများသည် ပိုမိုအသေးစိတ်လေ့လာခဲ့ကြသည်။ spectra များအရ၊ ၎င်းတို့သည် Fresnel band plate spectrometer ကို အသုံးပြု၍ မတူညီသော equivalent undulator အရှည်များတွင် တစ်ဦးချင်း pulses များ၏ spectra ကိုတိုင်းတာခဲ့ပြီး၊ ဤ spectra များသည် secondary amplification ပြုလုပ်ပြီးနောက်တွင်ပင် ချောမွေ့သော waveform များကို ထိန်းသိမ်းထားကြောင်း တွေ့ရှိခဲ့ပြီး pulses များသည် unimodal အတိုင်းရှိနေကြောင်း ညွှန်ပြသည်။ time domain တွင်၊ angular fringe ကို တိုင်းတာပြီး pulse ၏ time domain waveform ကို သွင်ပြင်လက္ခဏာပြသည်။ ပုံ ၁ တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း၊ X-ray pulse သည် circularly polarized infrared laser pulse နှင့် ထပ်နေသည်။ X-ray pulse ဖြင့် ionized လုပ်ထားသော photoelectron များသည် infrared laser ၏ vector potential နှင့် ဆန့်ကျင်ဘက်ဦးတည်ချက်တွင် streaks များကို ဖြစ်ပေါ်စေလိမ့်မည်။ laser ၏ electric field သည် အချိန်နှင့်အမျှလည်ပတ်သောကြောင့်၊ photoelectron ၏ momentum distribution ကို electron emission အချိန်ဖြင့် ဆုံးဖြတ်ပြီး emission အချိန်၏ angular mode နှင့် photoelectron ၏ momentum distribution အကြား ဆက်နွယ်မှုကို တည်ထောင်ထားသည်။ ဖိုတိုအီလက်ထရွန် အရှိန်အဟုန်၏ ဖြန့်ဖြူးမှုကို coaxial fast mapping imaging spectrometer ကို အသုံးပြု၍ တိုင်းတာသည်။ ဖြန့်ဖြူးမှုနှင့် spectral ရလဒ်များအပေါ် အခြေခံ၍ attosecond pulses များ၏ time-domain waveform ကို ပြန်လည်တည်ဆောက်နိုင်သည်။ ပုံ ၂ (က) တွင် median 440 as ဖြင့် pulse duration ၏ ဖြန့်ဖြူးမှုကို ပြသထားသည်။ နောက်ဆုံးတွင် gas monitoring detector ကို အသုံးပြု၍ pulse energy ကို တိုင်းတာခဲ့ပြီး ပုံ ၂ (ခ) တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း peak pulse power နှင့် pulse duration အကြား scatter plot ကို တွက်ချက်ခဲ့သည်။ configuration သုံးခုသည် မတူညီသော electron beam focusing conditions၊ waver coning conditions နှင့် magnetic compressor delay conditions များနှင့် ကိုက်ညီသည်။ configuration သုံးခုသည် ပျမ်းမျှ pulse energies 150၊ 200 နှင့် 260 µJ အသီးသီး ရရှိပြီး အမြင့်ဆုံး peak power 1.1 TW ရှိသည်။
ပုံ ၂။ (က) half-height Full width (FWHM) pulse duration ၏ ဖြန့်ဖြူးမှု histogram၊ (ခ) peak power နှင့် pulse duration နှင့် ကိုက်ညီသော Scatter plot
ထို့အပြင်၊ လေ့လာမှုတွင် X-ray band တွင် soliton-like superemission ဖြစ်စဉ်ကိုလည်း ပထမဆုံးအကြိမ်အဖြစ် တွေ့ရှိခဲ့ပြီး ၎င်းသည် amplification အတွင်း စဉ်ဆက်မပြတ် pulse shortening အဖြစ် ပေါ်လာသည်။ ၎င်းသည် အီလက်ထရွန်များနှင့် ရောင်ခြည်အကြား ပြင်းထန်သော အပြန်အလှန် ဆက်သွယ်မှုကြောင့် ဖြစ်ပေါ်လာပြီး အီလက်ထရွန်မှ X-ray pulse ၏ ဦးခေါင်းသို့ စွမ်းအင်ကို လျင်မြန်စွာ လွှဲပြောင်းပေးပြီး pulse ၏ အမြီးပိုင်းမှ အီလက်ထရွန်သို့ ပြန်လည်လွှဲပြောင်းပေးသည်။ ဤဖြစ်စဉ်ကို နက်နက်နဲနဲ လေ့လာခြင်းအားဖြင့် superradiation amplification လုပ်ငန်းစဉ်ကို တိုးချဲ့ခြင်းနှင့် soliton-like mode တွင် pulse shortening ကို အခွင့်ကောင်းယူခြင်းဖြင့် ကြာချိန်တိုတောင်းပြီး အမြင့်ဆုံး peak power မြင့်မားသော X-ray pulse များကို ပိုမိုအကောင်အထည်ဖော်နိုင်မည်ဟု မျှော်လင့်ရသည်။
ပို့စ်တင်ချိန်: ၂၀၂၄ ခုနှစ်၊ မေလ ၂၇ ရက်