Gratiselektronlaser - Free-electron laser

Den frie elektron laser FELIX Radboud University, Nederland.

En fri-elektron laser ( FEL ) er en (fjerde generasjon) synkrotron lyskilde produsere ekstremt strålende og korte pulser av synkrotron stråling. En FEL fungerer og oppfører seg på mange måter som en laser , men i stedet for å bruke stimulert emisjon fra atom- eller molekylære eksitasjoner, bruker den relativistiske elektroner som et forsterkningsmedium . Synkrotronstråling genereres når en haug med elektroner passerer gjennom en magnetisk struktur (kalt undulator eller wiggler ). I en FEL forsterkes denne strålingen ytterligere når synkrotronstrålingen samhandler på nytt med elektrongruppen slik at elektronene begynner å avgi koherent, og dermed tillater en eksponentiell økning i total strålingsintensitet.

Ettersom elektronkinetisk energi og undulatorparametere kan tilpasses etter ønske, er frie elektronlasere avstembare og kan bygges for et bredere frekvensområde enn noen annen type laser, som for tiden varierer i bølgelengde fra mikrobølger , gjennom terahertz-stråling og infrarød , til det synlige spektrum , ultrafiolett og røntgen .

Skjematisk fremstilling av en undulator , i kjernen av en frielektronlaser .

Den første frielektronlaser ble utviklet av John Madey i 1971 ved Stanford University ved hjelp av teknologi utviklet av Hans Motz og hans kolleger, som bygde en undulator i Stanford i 1953 ved hjelp av den magnetiske konfigurasjonen for wiggler . Madey brukte en 43 MeV elektronstråle og 5 m lang wiggler for å forsterke et signal.

Bjelkeoppretting

Undulatoren til FELIX .

For å skape en FEL akselereres en stråle av elektroner til nesten lysets hastighet . Strålen passerer gjennom et periodisk arrangement av magneter med alternerende poler over bjelkebanen, noe som skaper et magnetfelt fra side til side . Retningen til bjelken kalles lengderetningen, mens retningen over bjelkebanen kalles tverrgående. Denne magneten kalles en undulator eller en wiggler , fordi Lorentz-kraften i feltet tvinger elektronene i strålen til å vri seg på tvers, og beveger seg langs en sinusformet bane rundt undulatorens akse.

Den tverrgående akselerasjonen av elektronene over denne banen resulterer i frigjøring av fotoner ( synkrotronstråling ), som er monokromatiske, men fortsatt usammenhengende, fordi de elektromagnetiske bølgene fra tilfeldig fordelte elektroner forstyrrer seg konstruktivt og destruktivt i tid. Den resulterende strålekraften skaleres lineært med antall elektroner. Speil i hver ende av undulatoren skaper et optisk hulrom som får strålingen til å danne stående bølger , eller alternativt er det gitt en ekstern eksitasjonslaser. Synkrotronstrålingen blir tilstrekkelig sterk til at det tverrgående elektriske feltet til strålingsstrålen samhandler med den tverrgående elektronstrømmen som er opprettet av den sinusformede vrikkebevegelsen, noe som får noen elektroner til å vinne og andre mister energi til det optiske feltet via den tenkende kraften .

Denne energimodulasjonen utvikler seg til elektrontetthetsmoduler (strøm) med en periode på en optisk bølgelengde. Elektronene klemmes således i lengderetningen i mikrobunker , atskilt med en optisk bølgelengde langs aksen. Mens en undulator alene ville føre til at elektronene strålte uavhengig (usammenhengende), er strålingen som sendes ut av de grupperte elektronene i fase, og feltene legger sammen sammenhengende .

Strålingsintensiteten vokser og forårsaker ekstra mikrobunking av elektronene, som fortsetter å stråle i fase med hverandre. Denne prosessen fortsetter til elektronene er fullstendig mikrobunstret og strålingen når en mettet kraft flere størrelsesordener høyere enn den for undulatorstrålingen.

Bølgelengden til den utstrålte strålingen kan enkelt innstilles ved å justere energien til elektronstrålen eller magnetfeltstyrken til undulatorene.

FEL er relativistiske maskiner. Bølgelengden til den utsendte strålingen,, er gitt av

eller når wiggler-styrke-parameteren K , diskutert nedenfor, er liten

hvor er undulatorbølgelengden (magnetfeltets romlige periode), er den relativistiske Lorentz-faktoren og proporsjonalitetskonstanten avhenger av undulatorens geometri og er i størrelsesorden 1.

Denne formelen kan forstås som en kombinasjon av to relativistiske effekter. Tenk deg at du sitter på et elektron som går gjennom undulatoren. På grunn av Lorentz-sammentrekning forkortes undulatoren med en faktor, og elektronet opplever mye kortere undulatorbølgelengde . Imidlertid observeres strålingen som sendes ut ved denne bølgelengden i laboratoriets referanseramme, og den relativistiske dopplereffekten bringer den andre faktoren til formelen ovenfor. I en røntgen-FEL transformeres den typiske bølgelengden på 1 cm til røntgenbølgelengder i størrelsesorden 1 nm innen 2000, dvs. elektronene må reise med hastigheten 0,9999998 c .

Wiggler styrke parameter K

K , en dimensjonsløs parameter, definerer wigglerstyrken som forholdet mellom lengden på en periode og bøyeradiusen,

hvor er bøyeradiusen, er det påførte magnetfeltet, er elektronmassen og er den grunnleggende ladningen .

Uttrykt i praktiske enheter, er den dimensjonsløse undulatorparameteren .

Kvanteeffekter

I de fleste tilfeller tar teorien om klassisk elektromagnetisme tilstrekkelig hensyn til oppførselen til gratis elektronlasere. For tilstrekkelig korte bølgelengder kan det hende at man må vurdere kvanteeffekter av elektronrekyl og skuddstøy .

FEL konstruksjon

Fri-elektron laser som krever bruk av en elektronakselerator med dens tilhørende skjerming, som akselererte elektroner kan være en strålingsfare hvis ikke riktig inneholdt. Disse akseleratorene drives vanligvis av klystrons , som krever høyspenningsforsyning. Elektronstrålen må opprettholdes i et vakuum , noe som krever bruk av flere vakuumpumper langs strålebanen. Selv om dette utstyret er klumpete og kostbart, kan gratiselektronlasere oppnå svært høye toppkrefter, og avstemmbarheten til FEL-er gjør dem svært ønskelige i mange fagområder, inkludert kjemi, strukturbestemmelse av molekyler i biologi, medisinsk diagnose og ikke-destruktiv testing .

Infrarøde og terahertz FEL

The Fritz Haber Institute i Berlin fullført en mid-infrarødt og terahertz FEL i 2013.

Røntgen FEL

Mangelen på et materiale for å lage speil som kan reflektere ekstreme ultrafiolette og røntgenstråler betyr at FEL-er ved disse frekvensene ikke kan bruke et resonanshulrom som andre lasere, noe som reflekterer strålingen slik at den gjør flere passeringer gjennom undulatoren. Følgelig produseres utgangsstrålen i en røntgen-FEL (XFEL) av en enkelt strålepassasje gjennom undulatoren . Dette krever at det er nok forsterkning over en enkelt passering for å produsere en tilstrekkelig lys stråle.

På grunn av mangel på speil bruker XFEL lange undulators. Det underliggende prinsippet om intense pulser fra røntgenlaser ligger i prinsippet om selvforsterket spontan emisjon (SASE), som fører til mikrobunching. I utgangspunktet fordeles alle elektroner jevnt og avgir bare usammenhengende spontan stråling. Gjennom samspillet mellom denne strålingen og elektronenes svingninger driver de inn i mikrobunker atskilt med en avstand lik en strålingsbølgelengde. Gjennom denne interaksjonen begynner alle elektroner å avgi sammenhengende stråling i fase. All utstrålt stråling kan forsterke seg perfekt, slik at bølgetopp og bølgetråg alltid blir lagt på hverandre på best mulig måte. Dette resulterer i en eksponentiell økning av strålingseffekt, som fører til høy stråleintensitet og laserlignende egenskaper. Eksempler på anlegg som opererer etter SASE FEL-prinsippet inkluderer Free electron LASer i Hamburg ( FLASH ), Linac Coherent Light Source (LCLS) ved SLAC National Accelerator Laboratory , den europeiske røntgenfri elektronlaser (EuXFEL) i Hamburg, SPring-8 Compact SASE Source (SCSS) i Japan, SwissFEL ved Paul Scherrer Institute (Sveits), SACLA ved RIKEN Harima Institute i Japan, og PAL-XFEL (Pohang Accelerator Laboratory X-ray Free-Electron Laser) i Korea.

Selvsåing

Et problem med SASE FELs er mangelen på tidsmessig sammenheng på grunn av en støyende oppstartsprosess. For å unngå dette kan man "frø" en FEL med en laser innstilt på resonansen til FEL. Et slikt tidsmessig sammenhengende frø kan produseres på mer konvensjonelle måter, for eksempel ved generering av høy harmonisk (HHG) ved bruk av en optisk laserpuls. Dette resulterer i koherent forsterkning av inngangssignalet; faktisk er utskriftslaserkvaliteten preget av frøet. Mens HHG-frø er tilgjengelige med bølgelengder ned til ekstreme ultrafiolette, er såing ikke mulig ved røntgenbølgelengder på grunn av mangel på konvensjonelle røntgenlasere.

På slutten av 2010, i Italia, startet den seedede FEL-kilden FERMI @ Elettra igangkjøring, ved Trieste Synchrotron Laboratory . FERMI @ Elettra er et enkeltpass FEL brukeranlegg som dekker bølgelengdeområdet fra 100 nm (12 eV) til 10 nm (124 eV), som ligger ved siden av tredje generasjons synkrotronstrålingsanlegg ELETTRA i Trieste, Italia.

I 2012 forskere som arbeider på LCL'er vant seeding begrensning for x-ray bølgelengder av selv-seeding laseren med sin egen bjelke etter å ha blitt filtrert gjennom en diamant monokromator . Den resulterende intensiteten og monokromatisiteten til strålen var enestående og tillot nye eksperimenter som ble utført med manipulerende atomer og bildemolekyler. Andre laboratorier over hele verden inkorporerer teknikken i utstyret sitt.

Undersøkelser

Biomedisinsk

Grunnundersøkelser

Forskere har utforsket frie elektronlasere som et alternativ til synkrotronlyskilder som har vært arbeidshestene til proteinkrystallografi og cellebiologi .

Eksepsjonelt lyse og raske røntgenbilder kan avbilde proteiner ved hjelp av røntgenkrystallografi . Denne teknikken tillater førstegangsavbildning av proteiner som ikke stables på en måte som tillater bildebehandling ved konvensjonelle teknikker, 25% av det totale antallet proteiner. Oppløsninger på 0,8 nm er oppnådd med en pulsvarighet på 30 femtosekunder . For å få et klart syn kreves en oppløsning på 0,1–0,3 nm. De korte pulsvarighetene gjør det mulig å registrere bilder av røntgendiffraksjonsmønstre før molekylene blir ødelagt. De lyse, raske røntgenbildene ble produsert ved Linac Coherent Light Source på SLAC. Fra og med 2014 var LCLS verdens kraftigste røntgen FEL.

På grunn av de økte repetisjonshastighetene for neste generasjons røntgen-FEL-kilder, slik som den europeiske XFEL , forventes det også at det forventede antall diffraksjonsmønstre vil øke betydelig. Økningen i antall diffraksjonsmønstre vil legge store belastninger på eksisterende analysemetoder. For å bekjempe dette har det vært forsket på flere metoder for å kunne sortere den enorme mengden data typiske røntgen FEL-eksperimenter vil generere. Mens de forskjellige metodene har vist seg å være effektive, er det klart at for å bane vei mot enkeltpartikkel røntgen FEL-avbildning ved full repetisjonshastighet, må flere utfordringer overvinnes før neste oppløsningsrevolusjon kan oppnås.

Nye biomarkører for metabolske sykdommer: å utnytte selektiviteten og følsomheten når man kombinerer infrarød ionspektroskopi og massespektrometri , kan forskere gi et strukturelt fingeravtrykk av små molekyler i biologiske prøver, som blod eller urin. Denne nye og unike metoden genererer spennende nye muligheter for bedre å forstå metabolske sykdommer og utvikle nye diagnostiske og terapeutiske strategier.

Kirurgi

Forskning av Glenn Edwards og kollegaer ved Vanderbilt Universitys FEL Center i 1994 fant at bløtvev, inkludert hud, hornhinne og hjernevev, kunne kuttes eller fjernes ved bruk av infrarøde FEL-bølgelengder rundt 6,45 mikrometer med minimal kollateral skade på tilstøtende vev. Dette førte til operasjoner på mennesker, den første som noensinne brukte en frielektronlaser. Fra og med 1999, Copeland og Konrad utføres tre operasjoner i hvilke de avkuttede meningeom hjernesvulster . Begynnelsen i 2000 utførte Joos og Mawn fem operasjoner som kuttet et vindu i skjeden av synsnerven , for å teste effekten for optisk nerveskjærfenestrasjon . Disse åtte operasjonene ga resultater som var i samsvar med pleiestandarden og med den ekstra fordelen av minimal sikkerhetsskade. En gjennomgang av FEL for medisinsk bruk er gitt i 1. utgave av Tunable Laser Applications.

Fjerning av fett

Flere små, kliniske lasere som kan innstilles i området 6 til 7 mikrometer med pulsstruktur og energi for å gi minimal sikkerhetsskade i bløtvev, er opprettet. På Vanderbilt eksisterer det et Raman-skiftet system pumpet av en Alexandrite-laser.

Rox Anderson foreslo medisinsk anvendelse av frielektronlaser i smeltende fett uten å skade den overliggende huden. Ved infrarøde bølgelengder ble vann i vev oppvarmet av laseren, men ved bølgelengder tilsvarende 915, 1210 og 1720 nm ble lipidene under overflaten differensielt oppvarmet sterkere enn vann. De mulige anvendelsene av denne selektive fototermolysen (oppvarming av vev ved hjelp av lys) inkluderer selektiv destruksjon av talglipider for å behandle kviser , samt å målrette andre lipider assosiert med cellulitter og kroppsfett, samt fettplakk som dannes i arteriene som kan hjelpe til med å behandle aterosklerose. og hjertesykdom .

Militær

FEL-teknologi blir evaluert av den amerikanske marinen som en kandidat for et antiaircraft- og anti- missil- styrt energivåpen . The Thomas Jefferson National Accelerator Facility 's FEL har vist over 14 kW effekt. Kompakte FEL-våpen i flere megawattklasser gjennomgår forskning. 9. juni 2009 kunngjorde Office of Naval Research at de hadde tildelt Raytheon en kontrakt for å utvikle en 100 kW eksperimentell FEL. 18. mars 2010 kunngjorde Boeing Directed Energy Systems ferdigstillelse av en første design for US Naval bruk. En prototype FEL-system ble demonstrert, med en full-effekt prototype planlagt innen 2018.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker