초소형 X선 레이저용 얼음처럼 차가운 전자빔

[아름이]

초소형 X선 레이저용 얼음처럼 차가운 전자빔
날짜:
2023년 3월 1일
원천:
스트래스클라이드 대학교
요약:
얼음처럼 차가운 전자 빔은 X-선 자유 전자 레이저(X-FEL)를 현재 크기의 일부로 줄이는 길을 열 수 있습니다.

전체 이야기
스트래스클라이드 대학(University of Strathclyde)의 연구에서 시뮬레이션된 얼음처럼 차가운 전자 빔은 X-선 자유 전자 레이저(X-FEL)를 현재 크기의 일부로 줄이는 방법을 제시할 수 있습니다.

X-FEL은 전자빔의 운동 에너지를 강력한 광자 펄스로 변환하고 하드 X선 파장까지 변환하며 종종 '발견 엔진'이라고 합니다. X-FEL은 고온 밀도 물질 연구를 위한 극한 물질 조건을 만들고, 차세대 마이크로칩을 위한 재료의 특성을 연구하고, 새로운 약물을 위한 복잡한 생체 분자의 구조를 해결하고, 기타 여러 응용 분야에 사용됩니다.

FEL의 중심에는 교류 자기장이 있는 언듈레이터로 알려진 장치 내부의 경로에서 스윙하는 전자빔이 있습니다. 흔들리는 움직임의 결과로 전자빔은 광자 버스트를 방출하고 포지티브 피드백 효과는 전자빔을 방사 파장에서 마이크로 다발로 구조화합니다. 결과적으로 방사 전력은 언듈레이터를 따라 기하급수적으로 증가하고 매우 일관성 있게 됩니다.

이 자기 조직화 효과는 전자빔이 상대론적 에너지에서 고품질인 경우에만 발생할 수 있습니다. 그러나 엄격한 전자 빔 품질 요구 사항을 충족하기 위해 최첨단 X-FEL은 10억 파운드의 비용이 드는 킬로미터 규모의 미세 조정 기계입니다. 결과적으로 전 세계적으로 소수의 X-FEL 시설만 존재하며 지금까지 영국에는 없습니다.

Strathclyde 연구에서는 플라즈마 광음극이라고 하는 '트로이 목마' 첨단 전자 주입 방식이 장착된 PWFA(Plasma Wakefield Accelerator)가 상태보다 100,000배 더 밝은 전자빔을 생성할 수 있음을 처음부터 끝까지 고충실도 시뮬레이션을 통해 보여줍니다. 최신식. 이는 낮은 운동량 확산 분포로 인해 극도로 차가운 전자빔을 생성하기 때문입니다.

PWFA는 또한 미터당 수십에서 수백 기가볼트의 용량을 가진 가속 전기장을 가지고 있어 기존 가속기의 킬로미터 규모에 비해 센티미터 규모의 가속기를 실현할 수 있습니다.

이 연구는 전하 및 품질 손실 없이 플라즈마 광음극 PWFA에서 언듈레이터로 초고휘도, 얼음처럼 차가운 전자빔을 추출, 수송, 분리 및 주입하는 방법을 탐구합니다. 차갑게 유지되고 '녹지' 않습니다. 언듈레이터에 초점을 맞춘 초고품질 전자 빔은 아토초 체제(1 x 10-18초)의 펄스 지속 시간으로 강력하고 일관된 레이저와 같은 광자 펄스를 생성합니다. 전자의 극단적인 품질과 그에 따른 광자 펄스 외에도 전체 시스템은 최첨단의 킬로미터 크기 X-FEL 기계와 달리 수십 미터에 불과한 공간 공간을 가질 수 있습니다.

연구에 참여하는 과학자들은 연구에서 달성한 세 가지 이정표가 차세대 초소형 X-FEL로 가는 관문이 될 수 있다고 믿습니다. 이 연구는 Nature Communications 저널에 발표되었으며 전국적인 영국 X-FEL 프로젝트의 일부입니다.

Strathclyde 물리학과의 연구원이자 이 연구의 주요 박사 후 연구원인 Fahim Habib은 "이 계획을 기반으로 하는 초소형 플라즈마-X-FEL의 전망은 상상을 초월합니다. 우리의 결과는 중요한 첫 번째 이정표입니다. , 그러나 접근 방식의 실험적 실현을 향한 훨씬 더 많은 작업이 우리 앞에 있습니다."

이 프로젝트를 이끄는 Strathclyde의 Bernhard Hidding 교수는 "PWFA에서 플라즈마 광음극 주입에 대한 첫 번째 실험적 증거는 우리의 전략적 파트너인 Stanford의 SLAC FACET 시설에서 트로이 목마 공동 작업에서 얻었습니다. 이제 후속 시설인 SLAC에서 우리 프로그램을 통해 FACET-II를 통해 우리는 빔 품질과 안정성 측면에서 계획의 진정한 잠재력을 활용하는 것을 목표로 합니다."

물리학과의 독자인 Brian McNeil 박사는 "밝기는 자유 전자 레이저 방출의 핵심 성능 매개변수입니다. 우리의 전산 연구에서 나타난 것처럼 밝고 짧은 전자빔이 플라즈마에서 실현될 수 있다면 이것은 광자 과학에 막대한 영향을 미쳤습니다."

Hidding 교수는 NeXource: 고휘도 광자 과학을 위한 차세대 플라즈마 기반 전자 빔 소스라는 이름의 유럽 연구 위원회에서 자금을 지원하는 병렬 프로젝트를 진행하고 있습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/