Forskere udvikler ny metode til at skabe superstabile røntgenstråler

Moderne røntgenlaserfaciliteter som Linac Coherent Light Source (LCLS) ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory giver forskere mulighed for at studere, hvordan naturen opfører sig ved ultralette og ultrahurtige skalaer. Imidlertid, de enkelte røntgenpulser er ustabile, svinger fra skud til skud, og producere en masse baggrundsstøj, der kan skjule signalet i eksperimenter med høj opløsning.

Nu, SLAC-forskere har udviklet en metode til at producere lysere røntgenstråler, der er mere stabile og sammenhængende, med bølgelængder, der er mere synkroniserede med hinanden. Dette kan øge effektiviteten af ​​dataindsamling og bane vejen for nye former for eksperimenter. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Værktøjer til videnskab

I de sidste mange år har teamet har ledt efter måder at forbedre ydeevnen for LCLS ved at forbedre kvaliteten af ​​dets pulser.

"Fremstilling af en perfekt røntgenlaser er et af de ultimative mål i vores samfund." siger medforfatter og SLAC-videnskabsmand Zhen Zhang. "Vi ønskede at finde en måde at få røntgenpulser til at ligne dem fra en klassisk optisk laser, som er både stabile og sammenhængende. "

Bob Schoenlein, LCLS stedfortræder for videnskab, siger, at denne forskning vil gøre XFEL'er til endnu mere vigtige og alsidige værktøjer til videnskab.

"Dette er en meget lovende tilgang til styring af kohærensegenskaberne for LCLS-røntgenpulser, "siger han." Det vil muliggøre undersøgelser af komplekse materialer og molekylære systemer med udsøgt opløsning i både tid og energi. "

Bedst af begge verdener

Forskerne havde undersøgt eksisterende tilgange til at generere renere røntgenpulser, såsom at filtrere de støjende impulser og injicere dem igen i XFEL ved hjælp af et koncept kaldet "selvsåning, "men fandt ud af, at der er en grundlæggende afvejning mellem stærkt sammenhængende pulser og meget stabile. I den traditionelle selvsåningsmetode, det var ikke muligt at have begge på én gang.

De indså, at de var nødt til at tage en helt anden tilgang til at undgå dette problem. Det var da hovedforfatter og SLAC-videnskabsmand Erik Hemsing havde ideen om at strække ultrakorte røntgenpulser, hvis unikke egenskaber gør det muligt for forskerne at stabilisere og rense pulserne.

"I stedet for at filtrere det lange, støjende impulser som det gøres ved konventionel selvsåning, vi indså, at vi i stedet først skulle producere ultrakorte sammenhængende pulser og derefter strække og forstærke dem, "Siger Hemsing." På denne måde, ifølge vores undersøgelser, vi er i stand til at øge stabiliteten og sammenhængen betydeligt på samme tid. "

Konceptet bygger på det faktum, at ultrakortpulserne kan være meget mindre støjende og mere sammenhængende end lange pulser, især hvis de når deres maksimale effekt. Problemet er, at de korte impulser ikke bærer meget energi og ikke er ideelle til visse videnskabelige applikationer i høj opløsning. Forskerne fandt en måde at filtrere disse pulser på, derefter forstærke dem med en faktor 10, 000.

"Det giver os mulighed for at få de resultater, vi ønsker, uden større ændringer af den eksisterende opsætning, "siger medforfatter og SLAC-forskningsassistent Alex Halavanau.

Sætter det på prøve

For at følge op på denne forskning, teamet håber at teste ideen på LCLS. I fremtiden, Halavanau siger, de vil gerne udvide teknikken til mere energiske "hårde" røntgenstråler, og brug nyt, skræddersyede bløde røntgenpulser aktiveret ved denne teknik til bedre at forstå atomernes fysik, fotoner og elektroner.

Zhirong Huang, direktør for SLAC Accelerator Research Division, siger:"Vi ser frem til at få denne idé til at fungere i den nye bløde røntgenbølger, der snart kommer online til LCLS-II."