Forscher adaptieren eine mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Methode, um neue, ultraleistungsfähige Röntgensysteme zu entwickeln

Wenn Wissenschaftler die Grenzen beispielsweise eines Röntgenlasers erweitern wollen, müssen sie möglicherweise eine neue Technologie entwickeln. Aber gelegentlich muss man das Rad nicht neu erfinden. Stattdessen entwickeln Wissenschaftler einfach eine neue Art, es zu verwenden.

Jetzt haben Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums genau das getan, um die Fähigkeiten des Freie-Elektronen-Röntgenlasers (XFEL) der Linac Coherent Light Source (LCLS) des Labors zu erweitern. Durch die Anpassung einer Technik für moderne, superstarke optische Laserpulse namens Chirped Pulse Amplification (CPA) hat das SLAC-Team ein System entwickelt, das in der Lage ist, zehnmal stärkere Röntgenpulse als zuvor zu erzeugen – und das alles innerhalb der bestehenden freien Elektronen des LCLS Laserinfrastruktur.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in Briefe zur körperlichen Überprüfung am 18.11.

„Aktuelle Röntgenlaserpulse von Freie-Elektronen-Lasern haben eine Spitzenleistung von etwa 100 Gigawatt und normalerweise eine komplexe und stochastische Struktur“, sagte Haoyuan Li, Postdoktorand am SLAC und an der Stanford University und Hauptautor der neuen Studie .

Mit der gechirpten Pulsverstärkung für Röntgenstrahlen „haben wir gezeigt, dass wir sehr wirkungsvolle Strahlparameter von mehr als 1 Terawatt Spitzenleistung und gleichzeitig eine Pulsdauer von etwa 1 Femtosekunde erreichen können.“

Auch der beste Laser hat seine Grenzen

LCLS funktioniert wie eine Kamera mit atomarer Auflösung, die innerhalb von Sekundenbruchteilen Schnappschüsse der kleinsten Veränderungen in Molekülen und Materialien macht. Die ultrahellen, ultraschnellen Röntgenpulse, die es erzeugt, sind von großem Interesse für viele Anwendungen und wissenschaftliche Forschungen in so unterschiedlichen Bereichen wie der Dynamik biologischer Moleküle, dem Studium der Astrophysik im Labor und der Beobachtung, wie Photonen mit Materie interagieren.

Eine Erhöhung der Leistung des Lasers kann jedoch dazu führen, dass das Timing der Laserpulse inkonsistent wird. Diese Inkonsistenz erzeugt wiederum ein verzerrtes oder ungenaues Bild dessen, was mit dem System passiert – etwas, das Wissenschaftler unbedingt umgehen wollen. Bestehende Lösungen für dieses Problem reduzieren die Laserleistung erheblich und schränken die Möglichkeiten der Forscher ein.

Aufgrund dieser Einschränkungen „nutzten in den letzten zehn Jahren der XFEL-Laserexperimente mehr als 90 % der Experimente die Röntgenquelle wie eine ultraschnelle Taschenlampe“, sagte Diling Zhu, Senior Scientist am SLAC und Senior Co-Autor der Studie. „Nur sehr wenige haben es wirklich als ‚Laser‘ im Sinne unserer Verwendung von optischen Lasern verwendet.

Zwitschernde Röntgenstrahlen

CPA wurde ursprünglich entwickelt, um die Leistung optischer Laser zu erhöhen, und es funktioniert, indem es die Dauer eines Energieimpulses verlängert, bevor er einen Verstärker und schließlich einen Kompressor durchläuft, der die im ersten Schritt durchgeführte Dehnung umkehrt. Das Ergebnis ist ein super intensiver, sauberer und ultrakurzer Puls.

Die Physiker Donna Strickland und Gérard Mourou von der University of Rochester erfanden CPA in den 1980er Jahren und erhielten für ihre Arbeit 2018 den Nobelpreis für Physik. Während CPA die Erzeugung von Hochenergieimpulsen für optische Laser revolutioniert habe, habe sich die Technik als schwierig für Röntgenwellenlängen anzupassen erwiesen, sagte Li.

Durch die Entwicklung und Implementierung von kristalloptischen Systemen für Angström-Wellenlängen lernten Li und seine Kollegen, wie Röntgenstrahlen in einem als asymmetrische Bragg-Reflexion bezeichneten Prozess von einem Kristall reflektiert und gestreut werden.

„Dann erkannten wir, dass asymmetrische Bragg-Reflexionen verwendet werden können, um den CPA-Mechanismus zu implementieren“, sagte Li. „Dann arbeiteten unser Team für Röntgenoptik und Beschleunigerphysik zusammen, um das Design auf der Grundlage von Simulationen mit realistischen Strahlparametern zu optimieren.“

Röntgenpulse zum Greifen nah

Durch detaillierte numerische Modellierung entwarfen die Forscher ein CPA-Verfahren zur Erzeugung hochintensiver harter Röntgenpulse innerhalb der Strahlparameter vorhandener Freie-Elektronen-Laser. Andere Designs für solch starke harte Röntgenpulse beruhen auf zu optimistischen Parametern, die mit der aktuellen Technologie unerreichbar sind.

„Unser neues System zeigt, dass wir mit bestehenden Freie-Elektronen-Laseranlagen Terawatt-, Femtosekunden-Pulse harter Röntgenstrahlung erzeugen können“, einschließlich LCLS am SLAC, sagte Li.

Der nächste Schritt besteht darin, das System zu bauen, was einen erheblichen technischen Aufwand bedeutet. „Wir möchten experimentell zeigen, dass wir die erforderliche Trage und den Kompressor bauen können, die die Spezifikationen des Systemdesigns erfüllen, beginnend mit einem Miniaturprototyp“, sagte Li.

Das Team hoffe, seine Bemühungen fortsetzen zu können, sagte Zhu. „Die Anpassung der Lehren aus vielen aufregenden, eleganten optischen Lasertechnologien an Röntgenwellenlängen könnte uns in Zukunft zu helleren Röntgenlaserquellen führen“, sagte er.