Учёные приблизились к созданию компактных рентгеновских лазеров

Иероен ван Тилборг, Сэм Барбер и Карл Шрёдер изучают магниты-чикан, соединяющие лазерно-плазменный ускоритель (позади них) с нижестоящим ондулятором. Отклонение электронного пучка в чикане позволяет блокировать остаточный лазерный свет, а также временно разделять электроны с разной энергией для уменьшения энергетического разброса. Автор: Thor Swift/Berkeley Lab

Учёные из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (США) совместно с коллегами из TAU Systems Inc. добились значительного прогресса в разработке компактных и более доступных рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL).

XFEL — это мощные источники рентгеновского излучения, которые обычно представляют собой крупные исследовательские установки. Они позволяют изучать природу на атомном уровне, способствуя прогрессу в медицине, биологии, физике, материаловедении и других областях. Создание более компактных и экономичных XFEL расширит доступ к этой технологии и увеличит её влияние на науку.

«Мы используем наш многолетний опыт работы с лазерно-плазменными ускорителями, чтобы уменьшить размер XFEL», — пояснил Сэм Барбер, научный сотрудник подразделения ATAP лаборатории Беркли. «Высококачественные электронные пучки из плазменных ускорителей могут также использоваться для модернизации существующих XFEL, значительно улучшая их характеристики».

Барбер — ведущий автор нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters. Работа демонстрирует ключевую технологию, которая позволит значительно уменьшить размер XFEL, сохранив при этом их выдающиеся характеристики. Среди соавторов — Иероен ван Тилборг, Карл Шрёдер и учёные из TAU Systems Inc.

Использование лазерно-плазменных ускорителей

В своей работе исследователи усовершенствовали метод генерации высококачественных электронных пучков с помощью лазерно-плазменных ускорителей (LPA). Ван Тилборг объяснил, что вместо использования радиоволн в длинных линейных ускорителях, команда создаёт волну в плазме, на которой ускоряются электроны — в 1000 раз быстрее, чем в традиционных установках.

Если в обычных ускорителях электроны набирают около 50 мегавольт на метр, то в плазме возможно достичь 100 гигавольт (ГэВ) на метр, что сокращает необходимую длину установки с километров до метров.

«Это означает, что можно генерировать многогигаэлектронвольтные пучки электронов не на километровых ускорителях, а на установках длиной в несколько метров», — отметил ван Тилборг.

Достижение высоких энергий — лишь часть задачи. Для работы XFEL также необходимы электронные пучки исключительного качества. Когда такой пучок проходит через ондулятор (специальные магнитные устройства), он начинает излучать рентгеновские лучи, создавая один из самых ярких источников такого излучения на Земле.

Перспективы для науки и технологий

Компактные XFEL могут революционизировать биологические исследования, позволяя изучать сложные белки непосредственно в лабораториях, а также улучшить методы анализа наноструктур в материаловедении и производство передовых полупроводниковых чипов.

«LPA — это технология ускорения с высоким градиентом, которая может найти применение там, где важна компактность», — сказал Шрёдер. «Разработка FEL на основе LPA — важный шаг к другим применениям, включая линейные ускорители для физики высоких энергий».

Команда также рассматривает возможность модернизации существующих XFEL с помощью LPA, что позволит вывести их характеристики на новый уровень.

Компания TAU Systems Inc. сыграла ключевую роль в этом проекте, предоставив экспертизу в области физики пучков и концепций управления ускорителями. «Эти результаты подтверждают, что LPA открывает революционные возможности в ускорительной технике», — заявил Стивен Милтон, ведущий учёный TAU Systems Inc.

«Это важный результат, — подчеркнул Барбер. — Устойчивая работа установки в течение многих часов эксперимента подтверждает надёжность технологии. У нас ещё есть потенциал для дальнейшего прогресса».

Дополнительная информация: S. K. Barber et al, Greater than 1000-fold Gain in a Free-Electron Laser Driven by a Laser-Plasma Accelerator with High Reliability, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/vh62-gz1p

Источник: Lawrence Berkeley National Laboratory