ABD'li bilim insanları, dev lazerleri bin kat daha hızlı elektron ışını atılımıyla küçültüyor

ABD'li bilim insanları, dev lazerleri bin kat daha hızlı elektron ışını atılımıyla küçültüyor

Bilim insanları, X-ışını lazerleri için gereken yüksek kaliteli elektron ışınlarını üretmek ve sürdürmek için yeni bir yöntem ortaya koydu. Bu yöntem, cihazları daha küçük ve daha uygun fiyatlı hale getirme yolunda bir adım niteliğinde.

Araştırma, ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'ndan (Berkeley Lab) bir ekip tarafından TAU Systems Inc. ile iş birliği içinde yürütüldü.

Araştırma, güçlü bir üstel radyasyon artışı gösteren kararlı ve güvenilir bir elektron ışını oluşturmak için kompakt lazer plazma hızlandırıcılarının (LPA) kullanımına odaklanıyor. Bu, bir X-ışını serbest elektron lazeri (XFEL) için gerekliliktir.

Geleneksel hızlandırıcıdan bin kat daha hızlı

Bu LPA yöntemi, metre başına 100 gigavolt (GeV) hızlanma gradyanları üretebilir ve bu da elektronların, metre başına yaklaşık 50 megavolt ile sınırlı olan geleneksel bir hızlandırıcıya göre 1.000 kata kadar daha hızlı hızlandırılmasını sağlar. Verimlilikteki bu artış, kilometrelerce uzunluktaki bir hızlandırıcının metrelerce ölçeğe indirilebileceği anlamına geliyor.

Berkeley Laboratuvarı Hızlandırıcı Teknolojisi ve Uygulamalı Fizik (ATAP) Bölümü'nde görevli bilim insanı ve yeni çalışmanın ilk yazarı Sam Barber, "Bu büyük bir sonuç," dedi.

"İki ila üç katlık FEL kazanımının bu kadar önemli olması, LPA'nın FEL'lerin çalışması için gereken yüksek kaliteli elektron ışınlarını ürettiğini kanıtlıyor. Ve onlarca ardışık deneysel çalışma boyunca bu kadar güvenilir olması, LPA'nın sağlamlığını gösteriyor."

Boyut Kısıtlamasına Çözüm

XFEL'ler, araştırmacıların maddenin doğasını atom seviyesinde incelemelerine olanak tanıyan parlak X-ışını ışığı kaynakları olarak işlev gören bilimsel araçlardır. Bu bilgiler tıp, malzeme bilimi, biyoloji ve fizik alanlarındaki ilerlemelere katkıda bulunmaktadır.

Ancak, yüksek güçleri genellikle geniş bir alan kaplamaktadır; geleneksel XFEL'ler büyük ölçekli araştırma tesisleridir ve yapımları dünya çapında birkaç konumla sınırlıdır. Bu yeni araştırma, bu boyut kısıtlamasını ele alıyor.

Barber, "XFEL'leri küçültmek için lazer plazma hızlandırma adı verilen gelişmiş bir hızlandırıcı türündeki uzun yıllara dayanan uzmanlığımızı uyguluyoruz," diye açıkladı.

Ekibin çalışmaları, Berkeley Lab'ın Lazer Hızlandırıcı (BELLA) Merkezi'nde gerçekleştirildi. Ekip, elektronları hızlandırmak için geleneksel radyo frekans dalgaları kullanmak yerine, plazma içinde elektron yoğunluğu dalgası oluşturmak için lazer kullanıyor.

Yüksek enerjiye ulaşmak, işin sadece bir parçası, çünkü XFEL'ler aynı zamanda yüksek kaliteli elektron ışınları gerektiriyor. Berkeley Lab ekibinin çalışması, LPA'ların her ikisini de sağlayabileceğini gösterme yolunda bir adım.

Plazma Üretimli Işının Manyetik Ondülatörlere Bağlanması

TAU Systems Inc. ile yapılan iş birliği önemliydi ve plazma üretimli ışının X-ışınlarını üreten manyetik ondülatörlere bağlanmasına yardımcı olan hızlandırıcı ışın fiziği alanındaki uzmanlığı beraberinde getirdi.

TAU Systems Inc.'in projedeki baş bilim insanı Stephen Milton, "Bu FEL sonuçları, LPA'nın hızlandırıcılara bakış açımızda, nasıl göründüklerinde ve bunlarla neler yapılabileceği konusunda devrim niteliğinde bir paradigma değişimi başlattığı öncülünü doğruluyor," dedi.

Kompakt XFEL'lerin kullanılabilirliği, teknolojiyi daha erişilebilir hale getirerek biyolojik araştırmalar için karmaşık proteinlerin yerinde görüntülenmesini, malzeme bilimi için nanoyapıların analizini ve yarı iletken yonga üretimi için fotolitografiyi mümkün kılabilir. Yeni bağımsız tesisler oluşturmanın yanı sıra, teknoloji mevcut XFEL'leri geliştirmek için de kullanılabilir.

Barber, "Plazma hızlandırıcılarından gelen yüksek kaliteli elektron ışınları, performanslarını artırmak için mevcut XFEL'lere enjekte edilebilir," diye sözlerini tamamladı.

Araştırmacılar bu başarıyı bir basamak taşı olarak görüyor.

BELLA Merkezi'nde kıdemli bilim insanı Carl Schroeder, "LPA tabanlı serbest elektron lazerlerinin geliştirilmesi, yüksek enerji fiziği için doğrusal hızlandırıcılar gibi bu teknolojinin diğer uygulamaları için önemli bir basamak taşıdır," dedi.

Kaynak: IE