Die Identifizierung neuer Quellen, die Elektronen schneller produzieren, könnte dazu beitragen, die vielen bildgebenden Verfahren, die auf Elektronen basieren, voranzutreiben. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Briefe zur körperlichen Untersuchungdemonstrierte ein Forscherteam der Technischen Universität Eindhoven die Streuung von Subpikosekunden-Elektronenpaketen aus einer ultrakalten Elektronenquelle.
„Unsere Forschungsgruppe arbeitet an der Entwicklung der nächsten Generation ultraschneller Elektronenquellen, um Bildgebungstechniken wie die ultraschnelle Elektronenbeugung auf die nächste Stufe zu heben“, sagte Tim de Raadt, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org.
„Die Idee, lasergekühlte ultrakalte Gaswolken als Elektronenquelle zu nutzen, um den Stand der Technik in Sachen Helligkeit zu verbessern.“ wurde erstmals in einem 2005 veröffentlichten Artikel vorgestellt. Seitdem haben Forschungsanstrengungen mehrere Versionen einer solchen ultrakalten Elektronenquelle hervorgebracht, wobei sich die neueste Version (die in dieser Arbeit verwendet wird) darauf konzentriert, die Quelle kompakter zu machen, einfacher auszurichten und zu bedienen und stabiler zu sein in einem anderen früheren Artikel beschrieben das auch die Eigenschaften des transversalen Elektronenstrahls untersuchte.
Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von de Raadt und seinen Kollegen bestand darin, die Leistung des Typs der kompakten lasergekühlten ultrakalten Quelle, die in ihrer früheren Arbeit identifiziert wurde, weiter zu bewerten, insbesondere unter Berücksichtigung seiner Längsstrahleigenschaften. Durch ein besseres Verständnis der Physik hinter dieser Quelle könnten sie ihre Leistung optimieren und ihren Einsatz zur Weiterentwicklung bildgebender Verfahren ermöglichen.
Die Quelle der Forscher wurde durch Photoionisierung von lasergekühltem Rubidiumgas in einer magnetooptischen Gitterfalle über einen zweistufigen Prozess erzeugt. Am Selbstkompressionspunkt dieser Quelle maßen sie Elektronenpakete mit einer Länge von nur 735 ± 7 fs (rms).
„Wir haben einen sehr intensiven Femtosekunden-Laserpuls auf das Elektronenpaket an der Stelle abgefeuert, an der das Elektronenpaket die kürzeste Paketlänge hat“, erklärt de Raadt. „Wenn der Laserpuls auf die Elektronen trifft, kann er diese aus dem Bündel streuen, was als ‚ponderomotorische Streuung‘ bezeichnet wird.“ Mit der Elektronenkamera am Ende der Strahllinie können wir diese aus dem Elektronenbündel herausgeschleuderten Elektronen als zwei Streifen sehen, die aus dem Elektronenbündel austreten.“
Wenn die Forscher ihren Laserpuls zu früh oder zu spät auf ein Elektronenpaket schießen würden, würden sie es nicht treffen und somit die gewünschte Elektronenstreuung nach außen nicht sehen. In ihren Experimenten versuchten sie zu bestimmen, wie lange sie diese Elektronen streuen könnten (dh indem sie die Länge des Elektronenpakets maßen), indem sie die Verzögerungszeit zwischen dem Abfeuern des Laserpulses und dem Elektronenpaket langsam veränderten. Dieses Experiment zeigte, dass das von ihrer Quelle ausgehende Elektronenpaket im Subpikosekundenbereich lag, was noch nie zuvor beobachtet wurde.
„Wir haben herausgefunden, dass die Qualität des Längsstrahls (Emission) nicht durch die Elektronentemperatur begrenzt wird, wie dies bei der Qualität des Querstrahls (Emission) der Fall ist, sondern vielmehr durch die Kombination des Ionisierungsprozesses (die Art und Weise, wie die Elektronen den Strahl verlassen). Atome) und die Energieausbreitung“, sagte de Raadt.
„Da sich außerdem herausstellt, dass der Ionisationsprozess selbst etwa eine Pikosekunde dauert, besteht für uns keine Notwendigkeit, einen Femtosekunden-Ionisationslaserpuls zu verwenden. Wir können so die Länge des Ionisationslaserpulses um den Faktor zehn erhöhen, ohne die Länge des Elektronenpakets zu beeinträchtigen.“ (Längsqualität), wodurch wir ein schmaleres Band und eine präzisere Laserwellenlänge verwenden können. Dies eröffnet einen neuen Weg zur Verbesserung der Querstrahlqualität (Emission).“
Die jüngste Arbeit von de Raadt und seinen Kollegen unterstreicht den Wert der von ihnen realisierten kompakten ultrakalten Quelle für die Erzeugung ultraschneller Elektronenpakete. Darüber hinaus kann das Team nach eingehender Untersuchung der Physik und Eigenschaften dieser Quelle nun mit hoher Präzision vorhersagen, wie kurz ihre Elektronenpulse sein werden. Dies wiederum ermöglicht es ihnen, diese Impulse auf Kosten der Energieausbreitung durch die Quelle zu verkürzen oder umgekehrt.
Die von diesem Forscherteam gesammelten Erkenntnisse könnten in Zukunft den Weg für die Entwicklung leistungsstarker Bildgebungstechniken ebnen, die die Forschung in zahlreichen Bereichen voranbringen könnten. In ihren nächsten Studien werden de Raadt und seine Kollegen damit beginnen, einige der vielversprechendsten Anwendungen der Elektronenquelle zu erforschen.
„Da nun die Physik hinter der ultrakalten Elektronenquelle gut verstanden ist und die Eigenschaften gemessen wurden, entwickelt sich die Quelle von einem experimentellen Grundsatznachweis zu einer zuverlässigen Elektronenquelle“, fügte de Raadt hinzu.
„Diese Quelle kann für verschiedene spannende Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise die potenzielle ultraschnelle Einzelschuss-Elektronenkristallographie von Proteinen, was revolutionär wäre. Als neue neuartige Anwendung wäre diese Quelle ideal als Injektor für die dielektrische Laserbeschleunigung geeignet. Unsere Zukunft.“ Daher werden sich die Studien auf Anwendungen konzentrieren, die nur mit den einzigartigen Eigenschaften dieser Quelle möglich sind.“
Mehr Informationen:
T. C. H. de Raadt et al., Ultrakalte Elektronenquelle im Subpikosekundenbereich. Briefe zur körperlichen Untersuchung(2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.205001.
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