Forscher zeigen, wie die Helligkeit und Leistung von Röntgenlasern mithilfe eines Kristallhohlraums und Diamantspiegeln erhöht werden kann

In Teilchenbeschleunigeranlagen auf der ganzen Welt sind Wissenschaftler auf leistungsstarke Röntgenstrahlen angewiesen, um die Struktur und das Verhalten von Atomen und Molekülen aufzudecken. Jetzt haben Forscher vom SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums berechnet, wie man Röntgenpulse an Freie-Elektronen-Röntgenlasern (XFEL) noch heller und zuverlässiger machen kann, indem man um einen XFEL herum eine spezielle Hohlraumkammer und Diamantspiegel baut.

„Wir wollen unsere XFELs laserähnlicher machen“, sagte Zhirong Huang, SLAC- und Stanford-Professor für Photonenwissenschaft. „Wir suchen seit Jahrzehnten nach einem Weg, dies zu erreichen, und mit unseren neuen Berechnungen zeigen wir, dass dieser Wunschtraum Wirklichkeit werden könnte.“

Bei XFELs wie der Linac Coherent Light Source (LCLS) von SLAC variiert die Leistung einzelner Röntgenpulse von Puls zu Puls. Das Ergebnis sind zeitlich inkohärente Lichtstrahlen – weniger laserähnliche Laser –, die für Wissenschaftler schwieriger zur Durchführung von Experimenten zu verwenden sind, da sie weniger vorhersehbar sind.

In einer neuen Studie, die diesen Monat detailliert beschrieben wurde Briefe zur körperlichen UntersuchungForscher zeigen, wie man kohärente Röntgenpulse mithilfe eines komplizierten Kristallhohlraum- und Spiegelsystems erzeugen kann – und das ohne einen außergewöhnlich langen und komplizierten Hohlraum.

„Die Motivation für die Erzeugung kohärenter Röntgenstrahlen mit höherer Helligkeit besteht darin, reale Materialien zu untersuchen und zu untersuchen, was mit diesen Materialien unter verschiedenen Bedingungen passiert“, sagte SLAC-Wissenschaftler und Co-Autor des Artikels Jingyi Tang. „Wir wollen Systeme untersuchen, die dynamischer und schwieriger zu erfassen sind.“

Licht speichern mit Spiegeln

Die Idee, Röntgenstrahlen mithilfe von Spiegeln einzufangen, mag auf den ersten Blick unmöglich erscheinen. Aber bei einem Beschleuniger mit hoher Wiederholungsrate wie LCLS-II könnte eine solche Idee möglich sein – wenn man über die richtige Speicherausrüstung und eine gute Vorstellungskraft verfügt.

Die Forscher untersuchten einen sogenannten resonatorbasierten Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (CBXFEL). Bei diesem Design fängt eine Hohlraumstruktur – vielleicht Hunderte von Metern oder sogar mehr als einen Kilometer lang – inkohärente Röntgenimpulse ein, die in einer Beschleunigeranlage wie der am SLAC erzeugt wurden.

Im Inneren des Hohlraums werden Röntgenstrahlen von vier Diamantspiegeln reflektiert, die die Röntgenimpulse in rechteckigen Runden senden. Während die Pulse im Hohlraum umherlaufen, bewegt sich das nächste Elektronenpaket im Beschleuniger auf sie zu. Wenn das Bündel ankommt, interagiert der reflektierte Röntgenpuls mit dem Elektronenbündel, strafft es und organisiert es. Wenn dieses dichtere Elektronenpaket in einem sogenannten Undulator bewegt wird, erzeugt es weiter unten im Beschleuniger kohärentere und hellere Röntgenstrahlen.

Vor ihren neuen Berechnungen dachten die Forscher, dass die Aufrechterhaltung der Leistung eines Röntgenpulses, während er um den Hohlraum herumprallt, eng beieinander liegende Elektronenpakete oder einen kilometerlangen Hohlraum erfordern könnte, was die Umsetzung der Idee erheblich erschwert.

„Wir haben gezeigt, dass ein hochwertiges Hohlraumsystem möglicherweise nur 100 bis 300 Meter lang sein muss, selbst wenn ein leistungsstarker XFEL mit einer langsameren Wiederholungsrate arbeitet, was mehr Platz zwischen den Elektronenpaketen bedeutet“, sagte SLAC-Wissenschaftler und Co-Autor Zhen Zhang .

Den Hohlraumverlust kontrollieren

Der Schlüssel zu diesem neuen Design liegt in der Kontrolle dessen, was Forscher den Qualitätsfaktor des Hohlraums, Q, nennen. Der Qualitätsfaktor stellt das Reflexionsvermögen der Spiegel im Hohlraum dar. Ein hoher Q-Wert bedeutet ein sehr hohes Reflexionsvermögen, was eine verlustarme Rezirkulation der Röntgenleistung im Hohlraum ermöglicht. Ein niedrigerer Q-Wert bedeutet ein geringeres Reflexionsvermögen, was bedeutet, dass eine erhebliche Menge an Röntgenstrahlen den Hohlraum verlässt und durch den Beschleuniger geleitet wird.

Wenn die Röntgenstrahlen in einem kürzeren Hohlraum ohne Wechselwirkung mit dem Elektronenpaket rezirkuliert werden, wird Q sehr hoch gehalten. Wenn diese Röntgenstrahlen mit einem einfallenden Elektronenpaket interagieren, können Forscher die verstärkte Wellenlänge und das Spektrum der Röntgenstrahlung präzise steuern, um den Q-Wert des Hohlraums zu ändern – sogenanntes Q-Switching. Das bedeutet, dass sie den Q-Wert senken können, wenn die Leistung der Röntgenstrahlen hoch genug ist – also wenn die Röntgenstrahlen bereit sind, den Hohlraum zu verlassen und den Beschleuniger hinunter zu den Experimenten zu wandern.

Durch die Steuerung von Q können Forscher dem kohärenten Röntgenpuls die Möglichkeit geben, mehrmals um das Hohlraum- und Spiegelsystem zu zirkulieren. Diese Fähigkeit der kohärenten Röntgenimpulse, sich nun mit geringem Verlust durch das System zu bewegen, gibt den Impulsen mehr Zeit, Leistung aufzubauen, wodurch die erforderliche Hohlraumlänge verkürzt und Röntgenstrahlen mit hoher Ausgangsleistung erzeugt werden.

Im kommenden Jahr arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure des SLAC in Zusammenarbeit mit dem Argonne National Laboratory und anderen Institutionen am Bau eines Testhohlraums am LCLS des SLAC. Die anfänglichen Ziele des Experiments bestehen darin, die Leistungssteigerung zu demonstrieren, nachdem die Röntgenstrahlung durch den Hohlraum rezirkuliert wird, und die Leistung des Hohlraums zu beobachten. Die Güteschaltung könnte auch auf einem solchen CBXFEL-System getestet werden, nachdem die ursprünglichen Ziele des Experiments erreicht sind, sagten Forscher.