La lunga – ma non troppo lunga – cavità farebbe ping-pong Laser a raggi X impulsi all’interno di un acceleratore di particelle per aiutare a catturare i movimenti più veloci della natura.
Negli impianti di accelerazione di particelle di tutto il mondo, gli scienziati si affidano a potenti raggi X per rivelare la struttura e il comportamento di atomi e molecole.
Ora, i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia hanno calcolato come rendere gli impulsi di raggi X nei laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) ancora più luminosi e affidabili costruendo una speciale camera a cavità e specchi diamantati attorno a un XFEL.
Il laser a raggi X pulsa all’interno di un acceleratore di particelle – resa artistica. Credito immagine: SLAC
“Vogliamo rendere i nostri XFEL più simili a laser”, ha affermato Zhirong Huang, SLAC e professore di scienza dei fotoni a Stanford. “Abbiamo cercato un modo per farlo per decenni e, con i nostri nuovi calcoli, dimostriamo che questo sogno irrealizzabile potrebbe diventare realtà”.
A XFEL come SLAC Sorgente luminosa coerente Linac (LCLS), la potenza dei singoli impulsi di raggi X varia da impulso a impulso. Il risultato sono raggi di luce temporalmente incoerenti – meno laser simili a laser – che sono più difficili da usare per gli scienziati per completare gli esperimenti perché sono meno prevedibili.
In un nuovo studio, dettagliato In Lettere di revisione fisicai ricercatori mostrano come generare impulsi di raggi X coerenti utilizzando un intricato sistema di cavità cristalline e specchi, e senza bisogno di una cavità straordinariamente lunga e complicata.
“La motivazione per generare raggi X coerenti e di maggiore luminosità è studiare i materiali del mondo reale e cosa succede a quei materiali in condizioni diverse”, ha detto lo scienziato SLAC e coautore dell’articolo Jingyi Tang. “Vogliamo studiare sistemi più dinamici e difficili da acquisire”.
Immagazzinare la luce usando gli specchi
L’idea di catturare i raggi X usando gli specchi potrebbe sembrare impossibile a prima vista. Ma a un acceleratore ad alta frequenza di ripetizione come LCL-IIun’idea del genere potrebbe essere possibile, se si dispone dell’attrezzatura di stoccaggio giusta e di una buona immaginazione.
Questa è una rappresentazione grafica di un laser a elettroni liberi a raggi X basato su cavità. Il fascio di elettroni (blu) viaggia attraverso un ondulatore (marrone e bianco). All’interno dell’ondulatore, il raggio rilascia impulsi di raggi X (arancione). Questi impulsi rimbalzano attorno a una serie di quattro specchi finché non si trasformano da raggi X incoerenti in raggi X coerenti (giallo). I raggi X coerenti quindi lasciano il sistema dello specchio della cavità utilizzando la tecnica di commutazione Q del team di ricercatori e continuano lungo l’acceleratore fino agli scienziati all’interno delle sale sperimentali. Credito immagine: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
I ricercatori hanno studiato quello che viene chiamato un laser a elettroni liberi a raggi X basato su cavità (CBXFEL). In questo progetto, una struttura a cavità – lunga forse centinaia di metri o anche più di un chilometro – cattura impulsi di raggi X incoerenti che sono stati generati in una struttura di accelerazione, come quella di SLAC.
All’interno della cavità, i raggi X rimbalzano su quattro specchi diamantati, che inviano gli impulsi laser a raggi X in giri rettangolari. Mentre gli impulsi scorrono all’interno della cavità, il gruppo di elettroni successivo all’interno dell’acceleratore viaggia verso di loro.
Quando arriva il gruppo, l’impulso di raggi X che rimbalza interagisce con il gruppo di elettroni, rafforzandolo e organizzandolo. Quando viene mosso in un dispositivo chiamato ondulatore, questo gruppo di elettroni più stretto produrrà raggi X più coerenti e più luminosi più in basso nell’acceleratore.
Prima dei loro nuovi calcoli, i ricercatori pensavano che mantenere la potenza di un impulso di raggi X mentre rimbalzava intorno alla cavità potesse richiedere gruppi di elettroni ravvicinati o una cavità lunga chilometri, rendendo l’idea molto più difficile da implementare.
“Abbiamo dimostrato che un sistema di cavità di alta qualità potrebbe essere lungo solo 100-300 metri, anche con un potente XFEL che opera a una frequenza di ripetizione più lenta, il che significa più spazio tra i gruppi di elettroni”, ha affermato Zhen Zhang, scienziato e coautore dello SLAC. .
Controllo della perdita di cavità
La chiave di questo nuovo design è controllare quello che i ricercatori chiamano il fattore di qualità della cavità, Q. Il fattore di qualità rappresenta la riflettività degli specchi nella cavità.
Un alto valore di Q significa una riflettività molto alta, che consente alla potenza dei raggi X di ricircolare nella cavità con poca perdita. Un valore Q inferiore significa una minore riflettività, il che significa che una quantità significativa di raggi X lascia la cavità e viene trasmessa lungo l’acceleratore.
Quando i raggi X vengono ricircolati in una cavità più corta senza alcuna interazione con il fascio di elettroni, Q viene mantenuto molto alto. Quando questi raggi X interagiscono con un fascio di elettroni in arrivo, i ricercatori possono controllare con precisione la lunghezza d’onda e lo spettro dei raggi X amplificati per modificare la cavità Q, chiamata Q-switching.
Ciò significa che possono abbassare il valore Q quando i raggi X hanno una potenza sufficientemente elevata, ovvero quando i raggi X sono pronti a lasciare la cavità e viaggiare lungo l’acceleratore per gli esperimenti.
Controllando Q, i ricercatori possono dare all’impulso di raggi X coerente il loro turno per ricircolare più volte attorno alla cavità e al sistema di specchi.
Questa capacità per gli impulsi di raggi X coerenti di viaggiare ora intorno al sistema con poca perdita dà agli impulsi più tempo per accumulare potenza, accorciando così la lunghezza della cavità necessaria e creando raggi X con un’elevata potenza di uscita.
Nel prossimo anno, gli scienziati e gli ingegneri dello SLAC, in collaborazione con l’Argonne National Laboratory e altre istituzioni, stanno lavorando alla costruzione di una cavità di prova presso l’LCLS dello SLAC. Gli obiettivi iniziali dell’esperimento sono dimostrare l’aumento di potenza dopo che i raggi X sono stati ricircolati dalla cavità e osservare le prestazioni della cavità.
Il Q-switching potrebbe anche essere testato su un tale sistema CBXFEL dopo che gli obiettivi iniziali dell’esperimento sono stati raggiunti, hanno detto i ricercatori.
Fonte: Università di Stanford
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
