Seminar - 4. letnik Lasersko nadzorovani izvor mehkih rentgenskih ºarkov Avtor: Janez L. Ko evar Mentor: prof. dr. Dragan D. Mihailovi Ljubljana, 14.1

Transkripcija

1 Seminar - 4. letnik Lasersko nadzorovani izvor mehkih rentgenskih ºarkov Avtor: Janez L. Ko evar Mentor: prof. dr. Dragan D. Mihailovi Ljubljana, Povzetek Prve ideje uporabe plinske plazme za pospe²evanje elektronov so bile zasejane pred ve kot 30 leti, od tedaj se je na podro ju uveljavilo ve razli nih metod. Septembra 2009 je raziskovalna skupina iz Univerze v Münchnu objavila znanstveni lanek v reviji Nature, kjer so predstavili prakti no izvedbo nastavljivega izvora stabilnega rentgenskega sevanja. V tekstu predstavimo postavitev eksperimenta te skupine in se nadalje posvetimo ziki plazemskega pospe²evanja elektronov, ki za tvorbo pospe²evalnih elektri nih polj uporablja zunanje laserske pulze. Opi²emo njegovo tehni no izvedbo, uporabo magnetnih le za nadzorovanje parametrov izhodnega elektronskega ºarka in kon no undulatorsko stopnjo odgovorno za generacijo mehkega rentgenskega sevanja. Komentiramo izhodni spekter in nastavljivost izvora na razli ne valovne dolºine ter v zaklju ku predstavimo pomen in nakaºemo moºnosti nadaljnjega razvoja tak²nih kompaktnih izvorov svetlobe.

2 Kazalo UVOD 2 2 OPIS DELOVANJA LASERSKEGA SISTEMA 3 2. LASER-PLAZEMSKI POSPE EVALNIK KVADRUPOLNE MAGNETNE LEƒE UNDULATOR SPEKTER SEVANJA PRIMERJAVA Z OBSTOJEƒIMI VIRI RTG SVETLOBE 4 ZAKLJUƒEK 2 5 LITERATURA 2 UVOD Trenutno so najmo nej²i izvori rentgenske svetlobe sinhrotroni in laserji na proste elektrone 2. Uporabni so v ²irokem podro ju raziskav, vendar pa je njihova glavna slabost potreba po velikih radiofrekven nih elektronskih pospe²evalnikih, ki jih je po drugi strani malo na svetu. Na drugi strani so raziskave na podro ju plazemske zike v zadnjih letih omogo ile razvoj in nastanek prvih prototipov lasersko vodenih plazemsko-valovnih pospe²evalnikov 3 elektronov. Lasersko vodeni izvori omogo ajo enostavno izgradnjo ve stopenjskih nastavljivih izvorov RTG undulatorskega sevanja, ki ga generirajo laser-plazma pospe²eni elektronski ºarki. Tak²ni izvori omogo ajo generacijo kolimiranih ºarkov sestoje ih iz mehkih 4 RTG undulatorskih pulzov, katerih dolºina trajanja je 0 fs. Poglavitne prednosti tak²nega izvora so: celotna velikost ne presega razpoloºljivega prostora tipi nega univerzitetnega laboratorija dolºina pospe²evalne stopnje.5 cm dolºina undulatorja 30 cm nastavljivost valovne dolºine (v primeru tega) cena glavni vrh pri 8 nm (fundamentalni) drugi vrh pri 9 nm (2. harmonik) visoko energijski rez 7 nm (high-energy cuto) Motivacija za izgradnjo in uporabo tak²nih izvorov je njihova uporabnost pri dolo anju zgradbe in dinamike snovi na atomski skali, kar zahteva sondiranje z ångströmsko prostorsko resolucijo in femto- do atosekundno asovno lo ljivostjo, kar jih naredi nepogre²ljive pri podro jih, ki segajo od strukturne biologije (celi ni/molekularni nivo, preu evanje celi nih struktur) preko znanosti materialov (preu evanje mikroskopske strukture, polikristalnih vzorcev) do zike kondenzirane snovi (preu evanje magnetnih interakcij na skali nekaj nanometrov, struktura povr²inskih nanosov). 3. generacija sinhrotronskih izvorov je zmoºna producirati RTG pulze trajajo e nekaj 0 ps in je sposobna dose i 00 f s z uporabo kompleksnih tehnik manipulacije elektronskega ºarka. Uporabljajo se pri slikanju v nadaljevanju RTG 2 angl. FEL ali Free Electron Laser 3 angl. Laser driven plasma-wave accelerator 4 fotoni v spektru imajo energijo od 00 do 00 kev 2

3 Slika 2.: Shema eksperimenta. [] stati nih struktur, kjer je potrebna atomska prostorska resolucija. Nova generacija FEL izvorov bo potisnila asovno resolucijo v subatomski reºim. Podobno kot pri sinhrotronih je potrebno omeniti, da je problem zopet velikostne narave, saj so elektronski pospe²evalniki tudi tu dolgi, ogromni in dragi. 2 OPIS DELOVANJA LASERSKEGA SISTEMA Raziskovalna skupina in²tituta Max Planck za kvantno optiko z Univerze v Münchnu pod vodstvom Floriana Grünerja je septembra 2009 v znanstveni reviji Nature objavila lanek v katerem opi²e prakti no izvedbo enega izmed prvih laserjev, ki za izvor mehke RTG svetlobe uporablja lasersko vodeno plazemsko pospe²evalno stopnjo. V nadaljevanju se bomo posvetili laserskemu sistemu; opisu posameznih komponent in podrobnej²i razlagi njihovih principov delovanja. Vpadni laserski pulz fokusiramo v plinsko celico, kjer lasersko vzbujeni plazemski valovi pospe²ijo injicirane elektrone do energij reda nekaj sto M ev. Izhodni elektronski ºarek kolimira par kvadrupolnih magnetnih le pri emer neºeljeno plazemsko sevanje in vpadni laserski ºarek blokira 5 µm debela aluminijasta folija postavljena pred undulator. Elektroni se propagirajo ez undulator in pri tem emitirajo mehke RTG ºarke usmerjene v ozek stoºec predse. Dobljeno undulatorsko sevanje se zbere na zlatem ogledalu in nato okarakterizira s transmisijsko reºico postavljeno pred RTG CCD kamero. Odve no odklonjeno svetlobo blokira ozka reºa postavljena pred transmisijsko reºo. Smer, divergenco in spekter elektronskega ºarka se dolo i z fosforjevimi zasloni. Klju na pri eksperimentu je stabilna shema pospe²evanja elektronov in uporaba magnetnih le za vodenje elektronskega ºarka skozi undulator. 2. LASER-PLAZEMSKI POSPE EVALNIK V ultra-visokem reºimu intenzivnosti so interakcije med plazmo in vpadnim laserskim pulzom zelo nelinearne in relativisti ne, kar vodi do novih fenomenov kot so npr. wakeeld 5 plazemske ekscitacije pri pospe²evanju delcev, relativisti no samofokusiranje in vodenje laserskih ºarkov, generacija harmonikov vi²jih stopenj, pospe²evanje elektronov, pozitronov, protonov in fotonov. Prednost uporabe plazemskih metod pospe²evanja je v tem, da za razliko od tradicionalnih radiofrekven nih metod pospe²evanja omogo ajo generacijo elektri nih polj, ki po velikosti ve je od GV cm, kar je za tri velikostne rede ve je od tipi nih RF polj ( 20 MV cm ). Prednost uporabe plazme kot pospe²evalnega polja je poleg doseganja vi²jih elektri nih polj, ²e moºnost generacije longitudinalnega plazemskega vala (frekvence ω p = 4πn 0 e 2 /m e, n 0 in m e gostota elektronov v 5 op.a., ker v literaturi nisem uspel najti ustreznega prevoda, se bom v nadaljevanju posluºil angle²kega izvirnika 3

4 plazmi in masa elektrona) v katerem plazemski elektroni oscilirajo pri ω p ne glede na valovne dolºine, zato je lahko fazna hitrost plazemskih valov v ph arbitrarna. Pri relativisti nih valovih je v ph c, nastalo elektri no polje ocenimo iz Poissonove ena be, kar vodi do E = ɛ n V cm, kjer je n gostota plazme in ɛ amplituda plazemskega vala. Obstaja ve moºnosti generacije plazemskih valov: Uporaba intenzivnih kratkopulznih laserjev (dolºina pulza laserja, ki vzbudi val je manj²a od polovice valovne dolºine plazme), kjer se generirajo relativisti ni longitudinalni plazemski valovi velikih amplitud. To shemo imenujemo tudi Laser Wakeeld Accelerator (LWFA). Uporaba intenzivnih dolgih laserskih pulzov, ki jo nadalje delimo na Plasma Beat Wave Accelerator (PBWA), kjer dva dolga laserska pulza iz dveh laserjev, ki se frekven no razlikujeta za ω p. Pulza v plazmo prispeta sinhronizirano in jo resonan no vzbudita. uporabo nestabilnosti izvirajo e iz Ramanovega sipanja naprej, kjer uporabimo le en dolg pulz, to shemo imenujemo tudi samo-modulirani LWFA. Uporaba ºarkov relativisti nih delcev, ki vzbudijo relativisti ne longitudinalne plazemske valove visoke amplitude z Coulombskim odrivom elektronov v plazmi. Metodo imenujemo Plasma Wakeeld Accelerator (PWFA). Najve ja energija, ki jo delec prejme v relativisti nem plazemskem valu (v ph c) zna²a kjer je γ Lorentzov faktor γ = ( v ph c W = 2ɛγ 2 m e c 2 (2.) v plazmi, v ph = v g = ( ωp ω )2 odkoder sledi, da je Lorentzov faktor moºno poenostaviti v γ = ω ω p, kjer je ω frekvenca laserske svetlobe, ki vzbudi plazemski val. Ena bo 2. je tako moºno poenostaviti v )2. Fazna hitrost plazemskega vala je enaka grupni hitrosti v g laserja W = 2ɛ ω2 ωp 2 m e c 2 (2.2) Zahteva po nizki plazemski frekvenci ω p sicer zmanj²a razhajanje v fazi 6 med relativisti nimi elektroni in plazemskim valom, vendar je za maksimizacijo elektri nega polja E potrebna im vi²ja plazemska frekvenca, a to zmanj²a prejeto energijo delcev W zaradi razhajanj v fazi. Razhajanja v fazi so posledica dejstva, da ko se elektroni v plazemskem valu pospe²ujejo, se fazno zamikajo glede na uporabni del pospe²evalnega polja s faznim zamikom δ = ( ωp ω )2 Lk p 2 (L dolºina pospe²evalne stopnje, k p = 2π/λ p valovni vektor plazme). Izkaºe se, da je faza blizu 5π 8 najugodnej²a, saj v primerih 0 ali π pospe²evanje elektronov ni u inkovito. Zaradi prostorske omejenosti plazme v transverzalni smeri obstaja radialno polje, ki skupaj z longitudinalnim deluje defokusirajo e ez prvo polovico pospe²evalne paze in mo no fokusirajo e ez drugo, kar optimalno izbiro faznega zamika pomanj²a na 5π 6. Da se prepre i fazni razmik med valovi in pospe²evanimi elektroni je tako potrebno razdeliti pospe²evalnik na dele dolºine 5 6 λ p( ω ω p ) 2. Delec tako maksimalno energijo prejme pri prehodu dolºine L = W ee = 2γ2 c ω. V LWFA shemi kratek laserski pulz velike intenzitete, katerega frekvenca je mnogo ve ja od plazemske, tvori obmo je balon kaste vrzeli 7, ki nastane zaradi delovanja ponderomotivne sile 8 laserja na elektrone plazme in jih lo i od teºjih pozitivnih ionov. 6 angl. phase slip 7 anlg. blowout region 8 Ponderomotivna sila je nelinearna sila, ki jo nabit delec ob uti v nehomogenemu oscilirajo emu elektromagnetnemu polju, popisana je z F = e2 4mω 2 ( E 2 ) 4

5 Pri generaciji mehkega RTG undulatorskega sevanja so uporabili plinsko celico sestavljeno iz dveh sarjevih plo² s polcilindri nima ºlebovoma na povr²ini, ki sta sestavljena skupaj tvorila 5 mm dolg kanal premera 200 µm. Glavni kanal so napolnili z vodikom pri pritisku 30 mbar iz dveh pomoºnih kanalov, dokler se ni vzpostavila homogena in stacionarna porazdelitev plina med vhodoma. Za generacijo plazemskih valov so uporabili laserske pulze iz ATLAS Ti:sar laserja (20 T W ), ki je na plinsko celico po²iljal 850 mj pulze s trajanjem 37 fs FWHM pri valovni dolºini 800 nm s frekvenco ponavaljanja pulzov 0 Hz. Laser so fokusirali s f/22 paraboli nim ogledalom na to ko premera 23 µm FWHM v plinsko celico. Pri gostoti plazme n 0 = cm 3 se vanjo injicirajo gru e elektronov s skupnim nabojem 7 pc v wakeeld laserja in se v njem pospe²ijo do energij 20 MeV. Slika 2.2: Prerez LWF pospe²evalnika, pove ana sta center in izhod kanala in z barvami ozna ena simulacija toka plina v stacionarnem stanju. [4] Slika 2.3: Simulacija elektronske gostote v plinski plazmi. Velikost vrzeli v kateri ni elektronov (balon kasti mehur ek) za laserskim pulzom ustreza velikosti plazemske periode (pribliºno 8 µm pri gostoti plina cm 3 ). [2] 2.2 KVADRUPOLNE MAGNETNE LEƒE V undulatorju vsak individualni elektron emitira sevanje v ozkem stoºcu pred sabo, zato ima celoten fotonski ºarek podobno velikost in divergenco kot emitirajo e elektronske gru e, tako postane klju en nadzor pospe²enega elektronskega ºarka, kar je skupina iz Münchna re²ila z uporabo para kvadrupolnih le sestoje ih iz miniaturnih permanentnih Nd 2 F e 4 B magnetov. Le e poleg usmerjanja elektronskega ºarka, sluºijo tudi kot efektivni energijski pasovno prepustni lter za undulatorsko sevanje in tako zniºajo pasovno ²irino in uktuacije emitiranih fotonov. To je posledica kromati nosti le, torej da kolimirajo le elektrone dolo enih energij, medtem ko se divergenca ostalih pove a. 5

6 Pri konstrukciji kvadrupolnih le je klju no dose i im ve je absolutno polje na polih magnetovb(r i ) in obenem zmanj²ati radij do polov r i. Uporabljene le e pri eksperimentu dosegajo obe vrednosti B(r i ).5 T in r i = 3 mm, oziroma gradient 500 T m. Kvadrupolno polje denirajo ²tirje radialno magnetizirani kosi N df eb magnetov, za zaklju itev zunanjega polja poskrbijo ²tirje pari permanentnih magnetov. Pozicionirane so 25 cm za plazemskim pospe²evalnikom v dubletni konguraciji (defokusirna, fokusirna) z dolºinama le 7 mm in 5 mm. Po prehodu magnetnih le ima elektronski ºarek energije 20 M ev povpre no divergenco 0.7 mrad in RMS kotno deviacijo s pulza na pulz 0.2 mrad. Slika 2.4: Shematski pogled kvadrupolne le e in jakosti polja v notranjosti. Odebeljene pu² ice prikazuje smer magnetizacije, ²tirje radialno magnetizirani kosi denirajo kvadrupolno polje, preostalih osem kosov skrbi za zaklju ek polja. [3] Slika 2.5: Fotograja sestavljene kvadrupolne magnetne le e s priloºenim kovancem za merilo. [3] 2.3 UNDULATOR Undulator je vsaka naprava, ki ima sinusoidno transverzalno magnetno polje amplitude B 0 s periodo λ 0 9, ki denira brezdimenzijski deekcijski (odklonilni) parameter K K = eb 0λ 0 2πm e c Glede na velikost parametra K lo imo dva reºima obratovanja undulatorjev: (2.3) K : majhne oscilacije trajektorije elektronov v undulatorju in izsevana svetloba ima interferen ni vzorec, kar vodi do ozkih pasov v energijskem spektru. K : ve je oscilacije trajektorije elektronov v undulatorju 0, vsaka perioda polja da svoj prispevek k energijskemu spektru, ki je ²ir²i. 6

7 Slika 2.6: Shema undulatorja; z so ozna eni magneti, katerim se spreminja smer magnetnega polja; 2 ozna uje trajektorijo elektronskega ºarka; 3 ozna uje izsevano zavorno sevanje. [0] Elektroni v undulatorju pri no oscilirati s periodo proporcionalno K, pri emer za no zavorno sevati, ki je v laboratorijskem sistemu usmerjeno v ozek stoºec predse. Izmerjena valovna dolºina sevanja je odvisna od detekcijskega kota Θ in je reducirana za relativisti ni faktor γ zaradi Dopplerjevega premika. Upo²tevanje zmanj²anja longitudinalne elektronske hitrosti zaradi transverzalnega gibanja pod vplivom magnetnega polja povzro i, da je zaznana valovna dolºina za n-ti izsevani harmonik enaka λ = λ u K2 ( + 2nγ2 2 + γ2 Θ 2 ) (2.4) Kot je razvidno iz zgornje ena be je valovna dolºina undulatorskega sevanja pri opazovalnemu kotu Θ = 0 sorazmerna periodi undulatorja in obratno sorazmerna s kvadratom energije elektronskega ºarka (razvidno iz faktorja γ = E mc ). Klju no je pospe²iti elektrone do imve jih energij (problem pospe²evalnega sistema) 2 in konstrukcija undulatorja s im manj²o moºno periodo λ u. Skupina z in²tituta Max Planck je pri svojem eksperimentu uporabila N df eb hibridni undulator dolºine 30 cm s periodo 5 mm (²tevilo period N u = 60) in odklonilnim parametrom K = Skozenj so propagirali elektrone energije 20 M ev in uspeli generirati kratkovalovne RTG pulze katerih trajanje je dolo eno s koheren nim asom elektronske gru e, ki zna²a 0 f s (pribliºno tri velikostne rede manj²e od tipi nih sinhrotronskih pulzov). Namesto standardne Halbachove konstrukcije undulatorja, kjer se polje izmenjujo ih magnetnih polov zaklju i z dodanimi magneti zarotiranimi za 90, je poanta hibridne konstrukcije ne samo v vodenju polja permanentnih magnetov iz ene v drugo periodo, temve v zgo² enju in oja anju polja v feromagnetnih plo² ah, ki tvorijo alternirajo e pole undulatorja. Tak²na konstrukcija omogo a stanj²anje feromagnetnih plo² ter tako skraj²anje periode undulatorja. Za prepre itev nezveznosti v magnetnem polju med sosednjima plo² ama permanentnih plo², so te dalj²e od feromagnetnih in imajo na vrhu gostoto 2 T in na osi polov 0.9 T. Na straneh plo² v yz ravnini ta metoda oja anja polja ni bila moºna, saj s saturacijo zmanj²amo moºnost individualnega prilagajanja magnetnega polja plo². Za nastavljanje magnetnega polja zadnjih plo² se le te sklopi z feromagnetnim ohi²jem z uporabo feromagnetnih vijakov in tako omogo i nemoten prehod elektronskega ºarka iz undulatorja. 9 imenovana tudi undulatorska perioda 0 tak²en undulator se imenuje wiggler; wiggle angl. vijugasto gibanje Bremsstrahlung 7

8 Slika 2.7: Shema konstrukcije hibridnega undulatorja. Prikazane so plo² e permanentnega magneta (modra) alternirajo e polarizirane glede na os z, feromagnetni material (rde e). V ospredju je z rumenimi pu² icami prikazano vodenje magnetnega polja z enega pola na drugega. Ohi²je je prikazano transparentno. [3] Slika 2.8: Prikaz sklapljanja zadnje plo² e z ohi²jem preko feromagnetnega vijaka in oja anje polja. Obarvane pu² ice kaºejo smer in jakost magnetnega polja v yz ravnini undulatorja. Magnetno polje na vrhu doseºe gostoto 2 T, polje na osi pa 0.9 T. [3] Slika 2.9: Fotograja hibridnega miniaturnega undulatorja s 60 periodami. magnetov od zgoraj. [3] V kotu - pogled na sestav 8

9 Slika 2.0: Divergenca elektronskega ºarka pri prehodu magnetnih le pri razli nih energijah - 90 M ev (rde a), 25 M ev (rumena), 240 M ev (modra). [] Slika 2.: (levo, rde e) Simuliran tok glavnega emitiranega undulatorskega sevanja v odvisnosti od energije elektronov na poziciji detektorja pribliºno 260 cm od izhoda undulatorja. FWHM predstavlja 9% pasovne ²irine zaradi odvisnosti divergence elektronskega ºarka od energije samih elektronov pri prehodu magnetnih le ; (desno, ve barvno) Efektivni elektronski spekter (zelena) je dolo en kot produkt izmerjenega spektra (modra) in krivulje odziva sistema (rde a, tudi na sliki levo). Efektivni spekter ima pasovno ²irino 6% FWHM in vrh pri 207 MeV. [] 2.4 SPEKTER SEVANJA Vpliv divergence elektronskega ºarka na kotno porazdelitev undulatorskega sevanja (pri poloºaju detektorja) je opisan z odzivno krivuljo sistema, v kateri so vklju ene vse komponente ºarkovne linije - elektronske le e in undulator. Efektivni elektronski spekter je dolo en kot produkt izmerjenega in sistemskega odziva, saj sistemski spekter zavzema vlogo pasovno-prepustnega ltra, ki zmanj²a uktuacije spektralne ²irine in povpre ne energije emitiranih fotonov v undulatorju pri zaporednih pulzih laserja mnogo pod tisto izvornega elektronskega spektra. Glavni vrh posameznega pulza ima pasovno ²irino 22% pri opazovalnem kotu Θ = 0 (deducirano iz 0. uklonskega reda po dekonvoluciji instrumentacijske funkcije 2 ) namesto pri akovanih 65%, kar je posledica ltriranja magnetnih le. V efektivnem elektronskem spektru je pribliºno 0.6 ± 0.3 pc naboja, kar producira 70, 000 ± 25, 000 fotonov v glavnem vrhu, integrirano po detekcijskem stoºcu K/(2γ) = ±0.7 mrad, vodi do pasovne ²irine 30% FWHM. Zaznani spekter ima glavni vrh (ni ti harmonik) pri 8 nm in prvi harmonski vrh pri 0 nm s pulznima deviacijama pribliºno 5% s strela na strel. Valovna dolºina prvega harmonika odstopa od polovice ni tega zaradi emisijskih karakteristik sevanja, saj porazdelitev uksa nima vrha na osi ( Θ > 0), kar je razvidno iz ena be 2.4 in ker se pri propagaciji ez horizontalno ogledalo na zaslonko detektorja premakne vrh opazo- 2 denirana kot kosinusna Fourierova transformiranka apodizacijske in okenske funkcije 9

10 Slika 2.2: Tok na osi se²tet ez 0 vrstic CCD detektorja pri kotu Θ = 0 (modra) in meritve (rde e). Razvidna sta oba vrhova (8 nm in 0 nm) in visoko-energijski rez pri 7 nm. [] Slika 2.3: Kotni prikaz glavnega in prvega harmonika izmerjenega spektra undulatorskega sevanja, ki ustreza elektronskemu spektru s slike 2.2. Vrhova na osi se nahajata pri 8 nm (glavni) in 0 nm (prvi) ter visokoenergijski rez. Razvidna je tudi paraboli na odvisnost valovne dolºine od opazovalnega kota Θ. [] vanega spektra na osi. Slika 2.3 prikazuje kotno in spektralno porazdelitev undulatorskega sevanja v enem pulzu laserja. Paraboli na odvisnost valovne dolºine od opazovalnega kota Θ je v dobrem skladu z ena bo 2.4. Izvor sevanja v enem pulzu da 8200 ± 300 fotonov pulz mrad 2 0.% pasovne širine. Analiti na ocena vr²ne intenzitete na osi (Θ = 0) v enotah fotonov pulz odklonilnim parametrom K < je podana pribliºno po spodnji formuli mrad 2 0.% pasovne širine za undulator z N ph Nu 2 E 2 (GeV ) Q e (2.5) + K2 2 Pri podatkih za eksperiment N u = 60, E = 0.20 GeV, K = 0.55 in Q e =.2 pc dobimo po zgornji ena bi vr²no intenziteto enako N u = 9500 ± 200 fotonov pulz mrad 2 0.% pasovne širine, kjer napaka izhaja iz nedolo enosti v kalibraciji meritve naboja in v nastavitvah le, saj obe dolo ata efektivni naboj Q e v elektronskem spektru. Izmerjena divergenca elektronskega ºarka zna²a mrad pri premeru izvora 2 µm in normalizirana emitanca ɛ n = 0.8π mm mrad, kar se pri centralni energiji efektivnega elektronskega spektra prenese v RMS velikost izsevanega fotonskega curka 270 µm vertikalno in 630 µm horizontalno v undulatorju z divergencama 80 in 70 µrad. Ob predpostavki, da je tipi en as trajanja pulza sevanja v undulatorju 0 f s, doseºe spektralna svetlost (briljanca) vrh pri fotonov s K 2 mrad 2 mm 2 0.% pasovne širine. 0

11 E [MeV] l [nm] λ λ E pulza [pj] t pulza [fs] P pulza [W] η 20 (nastavljiva) Q gruč[pc] 8, 9 5 % Spektralna svetlost Premer el. ºarka [mm] Divergenca el. ºarka [mrad] Velikost fot. ºarka [mm] 0.6 ± ± (vertikalno), 630 (horizontalno) Divergenca fot. ºarka [mrad] 80 (vertikalno), 70 (horizontalno) ν pulzov [Hz] Tabela : Klju ni podatki pri izvoru mehkega RTG sevanja. Izkoristek je deniran kot η = spektralna svetlost je podana v enotah fotonov s mrad 2 mm 2 0.% pasovne širine. [] 3 PRIMERJAVA Z OBSTOJEƒIMI VIRI RTG SVETLOBE 0 P pulza P zač. laserski pulz ; Jasnej²o sliko dobimo, e primerjamo v tem seminarju razdelan izvor RTG svetlobe z ºe obstoje imi in na rtovanimi izvori - XFEL in sinhrotroni tretje generacije. Pri konvencionalnih laserjih na proste elektrone so medij ultrarelativisti ni elektroni v undulatorju, ki jih rpamo s pospe²evalniki delcev. Kju na izbolj²ava FEL napram sinhrotronom in ostalim izvorom svetlobe je visoka spektralna svetlost, nastavljivost valovnih dolºin, generacija zelo kratkih pulzov in moºnost stalnega delovanja z visoko mo jo, saj ni degradacije svetlobnega medija. Zgoraj opisani RTG izvor ustreza deniciji laserja na proste elektrone, vendar je klju na razlika pri uporabljeni metodi pospe²evanja delcev, saj konvencionalni laserji na proste elektrone delujo i v RTG delu spektra uporabljajo dolge linearne pospe²evalnike delcev (velikostnega reda 00 m). Pri LWFA metodi pa je pospe²evalnik dolg le nekaj milimetrov (5 mm v na²em primeru), kar je pribliºno 000-kratno pomanj²anje pri izgubi le enega velikostnega reda v kon ni energiji elektronov in s spektralno svetlostjo izvora primerljivo z obstoje imi sinhrotronskimi izvori tretje generacije (Elettra). Podobno kot pri FEL izvorih sevanja so tudi tu elektroni v undulatorju fazno korelirani, sicer je uporaba magnetnih le za monokromacijo elektronskega ºarka primitivnej²a metoda oblikovanja ºarka, vendar je potrebno v opravi ilo navesti, da je zgoraj omenjena postavitev eksperimenta zgolj of 'proof of principle', i.e., gre za prikaz prakti ne izvedljivosti tak²nih izvorov. Prednost izvora je v bolj²i nastavljivosti izsevanih valovnih dolºin kot pri klasi nih XFEL, vendar s posledi no slab²o energijsko deniranostjo vrhov, saj je njihov λ λ a ²e vedno bolj²i od sinhrotronskega Bremsstrahlung kontinuuma (kjer je λ λ ve ji kot pri FEL (5% proti tipi no 0.%), enaka ).

12 FLASH (Hamburg) XFEL SCSS (Tokyo) LCLS (Stanford) EU XFEL (Hamburg) FERMI Elettra (Trst) Sinhrotron Elettra (Trst) Namizni FEL (München) E [GeV] l [nm] min 6.8 min 0.5 min min , 9 Vrh svetlosti Dolºina Spektralne undulatorjev [m] Skupna dolºina [m] (obseg) 3.4 (0.8 za sestav) Tabela 2: Primerjava razli nih izvorov RTG svetlobe. Spektralna svetlost je podana v enotah. [], [2], [3], [4], [5], [6], [7] fotonov s mrad 2 mm 2 0.% pasovne širine 4 ZAKLJUƒEK iroko obmo je elektronskih energij, ki jih omogo a LWF plazemski pospe²evalnik je pokazalo, da je moºna konstrukcija nastavljivega izvora koherentnega undulatorskega RTG sevanja. Potencialna uporaba tak²nih namiznih izvorov v znanosti in tehniki je skoraj brezmejna, saj zaradi velikosti ne zahtevajo veliko prostora, so kompaktni in kot taki idealni za univerzitetno laboratorijsko okolje in uporabo v medicini. Pomemben uspeh je tudi nekaj-femtosekundno trajanje emitirane svetlobe, ki je inherentno laserskoplazemskim pospe²evalnikom LWF, kar predstavlja izbolj²anje za ve velikostnih redov v asovni resoluciji v primerjavi s sinhrotronskimi izvori tretje generacije. Stabilnost v tem seminarju predstavljenega primerka lasersko nadzorovanega RTG undulatorja skupaj s pri akovanim napredkom v laserskemu pospe²evanju elektronov, transportom ºarkov in tehnologijo izdelave undulatorjev nudi mnogo moºnosti za izbolj²ave in industrijske aplikacije v prihodnosti. Kratkoro no lahko pri akujemo prve laboratorijske izvore z valovnimi dolºinami velikostnega reda ångströmov in s pulzi trajajo imi pod 0 fs za 4D slikanje z atomsko resolucijo. Dolgoro en napredek v tem podro ju bo najverjetneje vodil v izdelavo laboratorijskih ultra-briljantnih RTG FEL izvorov z revolucionarnim vplivom na mnogo vej znanosti, tehnologije in medicine. 5 LITERATURA [] M. Fuchs, et alii, Laser-driven soft-x-ray undulator source, Nature Physics 5, (2009). [2] F. Grüner, et alii, Design considerations for table-top, laser-based VUV and X-ray free electron lasers, Appl. Phys. B 86, (2007). [3] T. Eichner, et alii, Miniature magnetic devices for laser-based, table-top free-electron lasers, Phys. Rev. Spc. Top. Acc. B. 0, (2007). [4] J. Osterho, et alii, Generation of stable, low-divergence electron beams by laser-wakeeld acceleration in a steady-state-ow gas cell, Phys. Rev. L. 0, (2008). [5] D.H. Bilderback, et alii, Review of third and next-gen synchrotron light sources, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 S773-S797 (2005). [6] R. Bingham, Basic concepts in plasma accelerators, Phil. Trans. R. Soc. A 364, (2004). [7] V. Malka, et alii, Laser-plasma accelerator: status and perspectives, Phil. Trans. R. Soc. A 364,

13 (2006). [8] ( ). [9] ( ). [0] ( ). [] (6..20). [2] (2..20). [3] (2..20). [4] (2..20). [5] (2..20). [6] (2..20). [7] (2..20). [8] (4..20). [9] (4..20). 3