Forscher machen wichtigen Schritt in Richtung Entwicklung der resonatorbasierten Röntgenlasertechnologie

Forscher haben einen wichtigen Schritt in der Entwicklung einer Technologie der nächsten Generation angekündigt, um Freie-Elektronen-Röntgenlaserpulse heller und stabiler zu machen. Sie verwendeten präzise ausgerichtete Spiegel aus hochwertigem synthetischem Diamant, um Röntgenlaserimpulse auf einer rechteckigen Rennbahn in einer Vakuumkammer zu steuern.

Aufbauten wie diese sind das Herzstück resonatorbasierter Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (CBXFELs), die Wissenschaftler entwerfen, um Röntgenlaserpulse heller und sauberer zu machen – eher wie normale Laserstrahlen heute.

„Die erfolgreiche Bereitstellung eines resonatorbasierten Freie-Elektronen-Röntgenlasers wird den Beginn einer neuen Generation der Röntgenwissenschaft markieren, indem sie einen enormen Sprung in der Strahlleistung ermöglicht“, sagte Mike Dunne, Direktor der Linac Coherent Light Source (LCLS) Röntgenlaser im SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums, wo die Arbeiten durchgeführt wurden.

„Bis wir dort ankommen, müssen noch viele Herausforderungen gemeistert werden“, sagte er. „Aber die Demonstration dieses ersten integrierten Schritts ist sehr ermutigend und zeigt, dass wir über den Ansatz und die Werkzeuge verfügen, die zur Aufrechterhaltung einer hohen Hohlraumleistung erforderlich sind.“

Das SLAC-Forschungsteam beschrieb seine Arbeit in einem Artikel, der in veröffentlicht wurde Naturphotonik. Die ersten Ergebnisse seien so ermutigend, sagten sie, dass das Labor bereits mit dem Argonne National Laboratory des DOE, seinem langjährigen Mitarbeiter auf diesem Gebiet, zusammenarbeite, um die nächste, größere Version des experimentellen Hohlraumsystems im LCLS-Undulatortunnel zu entwerfen und zu installieren.

Röntgenlaserpulse laserähnlicher machen

Trotz ihres Namens sind Röntgenlaserpulse noch nicht vollständig laserähnlich. Sie entstehen, indem beschleunigte Elektronen durch Magnetsätze, sogenannte Undulatoren, bewegt werden. Dies zwingt sie dazu, Röntgenstrahlen auszusenden, die zu starken Impulsen geformt werden, um Materie auf atomarer Ebene zu untersuchen. Am LCLS treffen die Impulse 120 Mal pro Sekunde ein, eine Rate, die bald auf eine Million Mal pro Sekunde ansteigen wird.

Aufgrund der Art und Weise, wie Röntgenlaserimpulse erzeugt werden, variieren sie jedoch in ihrer Intensität und enthalten eine unvorhersehbare Mischung von Wellenlängen. Dadurch entsteht das, was Wissenschaftler als „Rauschen“ bezeichnen, das ihre Sicht auf die Proben, die sie untersuchen, verfälscht.

Um dieses Problem zu lösen, wurde die Einführung eines Hohlraums vorgeschlagen, der den Ansatz herkömmlicher optischer Laser übernimmt. Hohlräume erhöhen die Kohärenz von Lasern, indem sie bevorzugt Licht einer einzigen Wellenlänge auswählen, deren Spitzen und Täler aneinander ausgerichtet sind. Aber die Spiegel, die Licht in normalen Laserkavitäten reflektieren, funktionieren für Röntgenlaserpulse nicht – alles, was Sie bekommen würden, wäre ein rauchendes Loch in Ihrem Spiegel, durch das die Röntgenstrahlen hindurchdringen.

Die Idee, Kristalle – und in jüngerer Zeit auch synthetische Diamantkristalle – als Spiegel zu verwenden, um Röntgenimpulse in einem Hohlraum zu glätten und zu verstärken, gibt es schon seit langem, sagte Diling Zhu, der zusammen mit einem SLAC-Wissenschaftler das experimentelle Team leitete Gabriel Marcus.

„Die Frage war, wie man Diamantspiegel von ausreichend hoher Qualität herstellen und wie man sie mit ausreichender Präzision ausrichten kann, um die Röntgenstrahlen um den Hohlraum zu lenken“, sagte Zhu. „Idealerweise würde der Hohlraum in unserem Fall auch in den langen, schmalen Tunnel passen, der die LCLS-Undulatoren beherbergt.“

Zu den weiteren Herausforderungen und Innovationen gehört es, den besten Weg zu finden, Röntgenstrahlen aus dem Hohlraum zu entnehmen, damit sie für Experimente genutzt werden können und die Spiegel bei Bedarf optimal gekühlt werden können.

Ein Hantel-ähnlicher Aufbau

Das SLAC-Hohlraumprojekt begann vor etwa fünf Jahren mit ein paar Flurgesprächen, sagte Zhu. Dies führte zu einem Zuschuss für laborgesteuerte Forschung und Entwicklung vom SLAC-Direktor, um den in dieser Studie verwendeten Aufbau in einem LCLS-Versuchsstall aufzubauen.

„Das Einzigartige an diesem Experiment ist der große Maßstab, in dem es durchgeführt wurde. Es ist fast 50-mal größer als jede andere Version, die ich veröffentlicht habe“, sagte Rachel Margraf, eine Doktorandin aus Stanford und eine der Forscher, die das Experiment mitgestaltet haben führte das Experiment durch und analysierte die Ergebnisse.

„Je größer der Hohlraum ist“, sagte sie, „desto enger sind die Ausrichtungstoleranzen, und die wissenschaftliche Gemeinschaft war skeptisch, ob diese Toleranzen erreicht werden könnten.“

Der Versuchsaufbau besteht aus zwei kastenförmigen Vakuumkammern, die die Hohlraumkomponenten enthalten. Sie sind durch zwei Strahlrohre verbunden, die ebenfalls unter Vakuum gehalten werden. Von der Seite betrachtet ähnelt das Ganze einer 30 Fuß langen Langhantel.

In jeder Hohlraumkammer sind zwei Diamantspiegel untergebracht, und jeder Spiegel ist auf vier Motoren montiert, die seine Position und seinen Winkel präzise an den Strahl anpassen. Die Spiegel lenken Röntgenimpulse durch die Strahlrohre und von einem Spiegel zum nächsten.

Den perfekten Diamantspiegel herstellen

Die Synthese, Auswahl und Formung der Diamantspiegel war an sich schon ein großer Aufwand.

Die Diamanten wurden von Kenji Tamasaku, Teamleiter der XFEL-Abteilung am RIKEN SPring-8 Center in Japan und einer weltweiten Autorität für Diamanten für die Röntgenforschung, in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner hergestellt.

Das Züchten von Diamantkristallen, die für die Röntgenforschung rein genug sind, sei schwierig, sagte Tamasaku, da sie bei hohen Temperaturen und Drücken gezüchtet werden müssten, bei denen die geringste Änderung der Bedingungen das Kristallwachstum stören könne.

Das Team verwendete zunächst Röntgenmikroskope von SPring-8 und der Stanford Synchrotron Radiation Light Source (SSRL) am SLAC, um jeden Kristall sorgfältig zu untersuchen und diejenigen auszuwählen, die die wenigsten Defekte in ihrer Kristallstruktur aufweisen. Dann identifizierten sie Bereiche innerhalb dieser Kristalle, die für die Verarbeitung zu Spiegeln fehlerfrei waren.

„Die Qualität natürlicher Diamanten kann nicht mit der der in der vorliegenden Studie verwendeten Diamanten mithalten“, sagte Tamasaku.

Nahezu perfekte Diamantkristallstücke wurden mit Lasern zunächst in Platten und dann in S-Formen von etwa einem Fünftel Zoll Länge geschnitten, die auf Hochglanz poliert wurden, ein Verfahren, das erstmals von Experten bei Argonne entwickelt wurde. Die Spiegel verfügen über Laschen, die an die Versuchsapparatur geklemmt werden können, ohne den Spiegel selbst zu belasten.

Erfolgreiche Ergebnisse

Ziel dieses Experiments war es herauszufinden, wie lange und wie effizient Röntgenlaserpulse im Hohlraum zirkulieren können. LCLS-Laserimpulse gelangten 120 Mal pro Sekunde über ein auf dem Stanford-Campus gefertigtes Präzisionsdiamantgitter in den Aufbau. Sie prallen nacheinander auf jeden der Spiegel und drehen dabei bis zu 60 Runden – jede davon etwa 46 Fuß lang –, bevor sie sich auflösen.

Die Forscher sagten, dass die Hin- und Rückwegeffizienz innerhalb des Hohlraumaufbaus mehr als 96 % betrug – nahe an der theoretischen Leistungsgrenze des Spiegels und mehr als ausreichend, um einen hochwertigen Röntgenlaserstrahl zu unterstützen.

Letztendlich besteht das Ziel darin, Röntgenimpulse im Hohlraum zu speichern und zu zirkulieren und sie dann durch den Undulator zu schicken, um den Elektronenstrahl auf seinem Weg durch die Magnete zu begleiten. Durch 10- bis 100-maliges Wiederholen dieses Zyklus sollten Röntgenlaserstrahlen entstehen, die genauso kohärent und stabil sind wie die heutigen optischen Laserstrahlen, sagte Zhu. Möglich wird dies mit der Fertigstellung der LCLS-Upgrades, die die Energie und Wiederholungsrate seiner Röntgenlaserimpulse erheblich erhöhen.