Przez
Wzmocnione promieniowanie synchrotronowe poprzez skrócone wiązki elektronów zapewnia potężne światło przypominające laser, a najnowsze eksperymenty potwierdzają jego wykonalność w zaawansowanych badaniach materiałowych. Źródło: SciTechDaily.com
Nowa technika skraca wiązki elektronów w pierścieniach akumulacyjnych, aby wytworzyć mocniejsze, spójne promieniowanie synchrotronowe, podobne do laserów dużej mocy. Metodę tę pomyślnie przetestowano, co oznacza postęp w kierunku nowego typu źródła promieniowania, które mogłoby mieć znaczący wpływ na badania materiałowe.
Międzynarodowy zespół prezentuje zasadę działania nowego źródła promieniowania synchrotronowego Komunikacja przyrodnicza Fizyka. Mikrobunching w stanie ustalonym (SSMB) umożliwi w przyszłości budowanie wydajnych i wydajnych źródeł promieniowania zapewniających spójne promieniowanie UV. Jest to bardzo atrakcyjne do zastosowań w badaniach podstawowych, a także w przemyśle półprzewodników.
Synchrotronowe pierścienie radiacyjne i magazynujące
Kiedy ultraszybkie elektrony są odchylane, emitują promieniowanie synchrotronowe. Stosuje się to w tak zwanych pierścieniach magazynujących, w których magnesy wpychają cząstki na zamkniętą ścieżkę. Światło to jest podłużnie niespójne i składa się z szerokiego spektrum długości fal. Wysoka jasność sprawia, że jest to doskonałe narzędzie do badań materiałowych. Monochromatory można wykorzystać do wybrania poszczególnych długości fal z widma, ale zmniejsza to moc promieniowania o wiele rzędów wielkości do wartości zaledwie kilku watów.
Laser impulsowy współpropaguje z wiązką elektronów przez undulator MLS U125 i wymusza modulację energii. Ten sam undulator służy jako promiennik w kolejnych przejściach wiązki elektronów. Promieniowanie undulatorowe wykrywane jest przez szybką fotodiodę, natomiast impuls laserowy blokowany jest przed ścieżką detekcji za pomocą przełącznika elektrooptycznego. Źródło: HZB/ Fizyka komunikacji
Postępy w wytwarzaniu spójnego światła
Ale co by było, gdyby zamiast tego pierścień akumulujący dostarczał monochromatyczne, spójne światło o mocy kilku kilowatów, analogicznie do lasera dużej mocy? Fizyk Alexander Chao i jego doktorant Daniel Ratner znaleźli odpowiedź na to wyzwanie w 2010 roku: jeśli wiązki elektronów krążące w pierścieniu akumulacyjnym stają się krótsze niż długość fali emitowanego przez nie światła, emitowane promieniowanie staje się spójne, a zatem miliony razy silniejsze .
„Musisz wiedzieć, że elektrony w pierścieniu magazynującym nie są rozmieszczone równomiernie” – wyjaśnia Arnold Kruschinski, doktorant w HZB i główny autor artykułu. „Poruszają się w pęczkach o typowej długości około centymetra i odległości około 60 centymetrów. To o sześć rzędów wielkości więcej niż mikropęczki zaproponowane przez Alexandra Chao. Chiński teoretyk Xiujie Deng zdefiniował zestaw ustawień dla określonego typu akceleratora kołowego, pierścieni izochronowych lub „low-alfa”, na potrzeby projektu Micro-Bunching w stanie ustalonym (SSMB). Po interakcji z laserem tworzą one krótkie pęczki cząstek o długości zaledwie jednego mikrometra.
Przełomy w technikach mikro-pęczków
Zespół badawczy z HZB, Uniwersytetu Tsinghua i PTB wykazał już, że działa to w ramach eksperymentu weryfikującego zasadę, który odbędzie się w 2021 r. Wykorzystali Metrology Light Source (MLS) w Adlershof — pierwszy pierścień magazynujący, jaki kiedykolwiek zaprojektowano do pracy w niskiej fazie alfa . Zespołowi udało się teraz w pełni zweryfikować teorię Denga dotyczącą generowania mikropęczków w szeroko zakrojonych eksperymentach. „Dla nas jest to ważny krok na drodze do nowego typu źródła promieniowania SSMB” – mówi Arnold Kruschinski.
Jörg Feikes i doktorant Arnold Kruschinski w sterowni BESSY II i MLS. Źródło: Ina Helms / HZB
Perspektywy na przyszłość i cele długoterminowe
Jednakże kierownik projektu HZB, Jörg Feikes, jest pewien, że do tego czasu minie trochę czasu. Widzi pewne podobieństwa pomiędzy SSMB a rozwojem laserów na swobodnych elektronach. „Po początkowych eksperymentach i dziesięcioleciach prac rozwojowych pomysł ten przekształcił się w nadprzewodzący akcelerator o długości kilometra” – mówi. „Takie zmiany mają charakter bardzo długoterminowy. Zaczyna się od pomysłu, potem teorii, a potem pojawiają się eksperymentatorzy, którzy stopniowo to realizują i myślę, że SSMB będzie się rozwijać w ten sam sposób.”
Odniesienie: „Potwierdzenie teoretycznych podstaw mikrobunczowania w stanie ustalonym” autorstwa Arnolda Kruschinskiego, Xiujie Denga, Jörga Feikesa, Arne Hoehla, Romana Kleina, Ji Li, Markusa Riesa i Alexandra Chao, 21 maja 2024 r., Fizyka komunikacji.
DOI: 10.1038/s42005-024-01657-y
