Højflux bordpladekilde til femtosekund hårde røntgenimpulser

Femtosekunds hårde røntgenimpulser er et vigtigt værktøj til at optrevle strukturændringer af kondenseret stof på atomare længde- og tidsskalaer. En ny laserdrevet røntgenkilde giver femtosekund kobber Kα-impulser ved en 1 kHz gentagelseshastighed med en hidtil uset flux på omkring 10 ¹² Røntgenfotoner pr. sekund.

Elementære processer i fysik, kemi, og biologi er forbundet med ændringer af den atomare eller molekylære struktur på en femtosekunds tidsskala (1 femtosekund (fs) =10 ^-15 sekunder). Ultrahurtige røntgenmetoder rummer et stort potentiale for at følge strukturændringer i rum og tid og generere 'film' af elektronernes bevægelser, atomer og molekyler. Dette perspektiv har resulteret i en stærk efterspørgsel efter femtosekund hårde røntgenpulser, der skal anvendes i røntgenspredning og spektroskopi.

Der er to hovedtilgange til at generere ultrakorte hårde røntgenimpulser. Den første er kilder baseret på elektronacceleratorer og undulatorer i stor skala, hvor femtosekund-elektronbunker udstråler lyse røntgenimpulser. Den anden er small-frame laboratoriekilder drevet af intense femtosekund optiske lasere. Her, elektronacceleration forekommer i det stærke elektriske felt af en optisk puls, og røntgenimpulser genereres ved kollisionsinteraktion mellem sådanne elektroner og atomer i et metalmål, ligner et konventionelt røntgenrør.

Forskere ved Max Born Institute (MBI) i Berlin har nu opnået et gennembrud inden for bordgenerering af femtosekund-røntgenimpulser ved at demonstrere et stabilt pulstog ved kilohertz-gentagelseshastighed med en samlet flux på omkring 10 ¹² Røntgenfotoner pr. sekund. Som de melder ind Optik bogstaver , kombinationen af ​​en ny optisk driver, der giver femtosekund mid-infrarøde impulser omkring en 5 μm (5000 nm) bølgelængde med et metallisk tapemål i en transmissionsgeometri, gør det muligt at generere hårde røntgenimpulser ved en bølgelængde på 0,154 nm med meget høj effektivitet.

Den optiske driver er baseret på optisk parametrisk kvidret pulsforstærkning (OPCPA) og giver 80-fs pulser ved en central bølgelængde på 5 μm med en energi på 3 mJ og en gentagelseshastighed på 1 kHz. For at generere røntgenimpulser, de midt-infrarøde impulser er tæt fokuseret på et tyndt kobbermål (fig. 1). I en optisk cyklus af det optiske felt, elektroner udvindes fra kobberbåndet, accelererede i vakuum og styrede tilbage til målet. Elektroner med en kinetisk energi på op til 100 keV kommer igen ind i målet og genererer lyse kobber Kα-impulser ved en bølgelængde på 0,154 nm, ledsaget af spektral bred bremsstrahlung. Den længere optiske cyklus af de midt-infrarøde impulser sammenlignet med impulser ved kortere optiske bølgelængder resulterer i længere accelerationstider for elektronerne, højere kinetiske energier, og til sidst højere effektivitet i røntgengenerering (fig. 2).

Den nye bordrøntgenkilde når et gennemsnitligt antal Cu-Kα-fotoner op til 1,5x10 ⁹ fotoner pr. puls i hele den faste vinkel eller 1,5x10 ¹² fotoner pr. sekund (blå prikker i fig. 2c). Denne fotonflux er 30 gange højere end fra almindeligt anvendte bord-top røntgenkilder drevet af Ti:safir lasere ved den centrale bølgelængde på 0,8 μm (sorte prikker i fig. 2c). Sådanne kildeparametre åbner spændende perspektiver til undersøgelse af ultrahurtige strukturændringer i kondenseret stof ved tidsopløst røntgenspredning.