يعرض نظام TAU أول تشغيل مستقر لليزر-الذرة الحرة لمدة تزيد عن ثماني ساعات

يفصّل دراسة جديدة نشرت في Physical Review Accelerators and Beams إنجازًا كبيرًا في فيزياء المعجل: حقق نظام TAU ، بالتعاون مع الباحثين في مختبر لورنس بيركلي الوطني ، أول تشغيل موثوق ومستمر لليزر-بلازما (LPA) -ليزر-الذرة الحرة (FEL). استمر النظام في الأداء المستمر لمدة تزيد عن ثماني ساعات دون تدخل من المشغل ، متغلبًا على واحدة من أكثر الحواجز استمرارًا في المجال واقتراب مصادر الضوء المدمجة من التطبيق العملي.

إعادة تصور الليزر-الذرة الحرة

الليزر-الذرة الحرة أدوات أساسية لاستكشاف المادة على مستوى الذرة والجزيء ، وإنتاج ضوء متوهج وقابل للتعديل عبر طيف واسع. ومع ذلك ، تعتمد الأنظمة التقليدية على معجلات التردد الإذاعي التي تتطلب بنية تحتية ضخمة ، غالبًا ما تمتد عبر حرم بحثية كاملة.

يقدم LPA هيكلًا مختلفًا بشكل أساسي. من خلال استخدام نبضات الليزر شديدة التألق لتشغيل موجات البلازما ، يمكن تسريع الإلكترونات على مسافات مقاسة بالملليمترات بدلاً من مئات الأمتار. هذا يخلق إمكانية تقليل بصمة نظام الليزر-الذرة الحرة بشكل كبير مع الحفاظ على الأداء العالي.

على الرغم من هذا الوعد ، ظل ترجمة LPA إلى محركات FEL قابلة للاستخدام غير مرئية بسبب عدم استقرار جودة الحزمة ، وتغير الحزمة من إطلاق إلى إطلاق ، وحساسية التقلبات في ظروف الليزر والبلازما.

هندسة الاستقرار في نظام معقد

تم تحقيق الإنجاز في مركز BELLA ، حيث دمج باحثو نظام TAU ومختبر بيركلي الوطني طبقات متعددة من الاستقرار عبر النظام الكامل.

أنتج التجربة حزم إلكترونية بطاقة 100 MeV بسرعة تكرار 1 Hz ، مع الحفاظ على معلمات الحزمة الثابتة لمدة عشر ساعات متتالية. ثم استخدمت هذه الحزم الإلكترونية لتشغيل ليزر-الذرة الحرة ذات الانبعاث التلقائي المضخّم (SASE) الذي يعمل عند طول موجي 420 نانومتر ، في Bereich الأزرق المرئي إلى الأشعة فوق البنفسجية.

من المهم أن بقيت إخراج الليزر-الذرة الحرة مستقرًا لمدة تزيد عن ثماني ساعات دون أي تعديل أو تدخل يدوي. هذا المستوى من التشغيل المستقل يظهر أن النظام يمكن أن يحافظ على التموضع بين الليزر والبلازما وحزمة الإلكترونات والانحناء على فترات طويلة ، وهو ما كان من الصعب تحقيقه تاريخيًا.

لم يكن الاستقرار نتيجة تحسين واحد ، بل مجموعة من الحلول الهندسية المنسقة ، بما في ذلك التحكم الدقيق في خصائص نبضة الليزر ، وتنظيم كثافة البلازما ، وتنظيم نقل الحزمة. معًا ، سمحت هذه العناصر للنظام بالعمل كمنبع ضوء متكامل ومستقر.

فهم الارتباط بين الليزر-البلازما-ليزر-الذرة الحرة

كان أحد أكثر النتائج قيمة في التجربة ليس فقط التشغيل المستمر ، ولكن أيضًا حجم ونوعية البيانات التي تم جمعها خلال الجلسة.

للمرة الأولى ، تمكن الباحثون من رسم خريطة منهجية لكيفية انتشار التقلبات في ظروف الليزر والبلازما عبر المعجل وتأثيرها على إخراج الليزر-الذرة الحرة. من خلال تحليل الارتباطات بين المعلمات الإدخال والخصائص الناتجة للحزمة ، حدد الفريق المتغيرات التي لها أكبر تأثير على الاستقرار والسطوع.

هذا النوع من مجموعة البيانات مهم بشكل خاص لأن محركات الليزر-البلازما-ليزر-الذرة الحرة تتضمن عمليات غير خطية متشابكة بإحكام. يمكن أن يكون للتغيرات الصغيرة في جزء من النظام تأثيرات مكبرة في مجرى النهر. يتيح البيانات المستمرة والعالية الجودة على مدار العديد من الساعات للباحثين عزل هذه العلاقات وتحسين استراتيجيات التحكم.

تشير النتائج إلى أن تحسينات إضافية يمكن تحقيقها ، حيث تشير الارتباطات المتبقية إلى أن مكاسب إضافية في جودة الحزمة وثبات الإخراج لا تزال في متناول اليد.

عبور العتبة من التجربة إلى المنصة

تاريخيًا ، كانت محركات الليزر-البلازما-ليزر-الذرة الحرة مقتصرة على عروض قصيرة الأمد ، غالبًا ما تتطلب تعديلات يدوية مستمرة وإنتاجًا غير متسق. هذا منع استخدامها في سير عمل علمي حقيقي ، حيث تكون الموثوقية والتعافي ضروريين.

من خلال إظهار تشغيل لمدة عدة ساعات بدون تدخل ، انتقل نظام TAU ومختبر بيركلي الوطني تقنيًا من تجربة هشة إلى منصة تشغيل. هذا يفتح الباب أمام تجارب أطول ، وقياسات قابلة للتكرار ، وحالات استخدام أكثر تقدمًا.

النظام الآن في وضع المنصة البحثية للجماعة العلمية الأوسع ، مما يُمكّن من دراسات تفصيلية حول الارتباط بين معجل ومانح الضوء التي كانت غير عملية سابقًا بسبب عدم الاستقرار ووقت التشغيل المحدود.

توسيع الوصول إلى مصادر الضوء عالية السطوع

الآثار الأوسع لهذا الإنجاز كبيرة. الوصول إلى مصادر الضوء عالية السطوع بالأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية حاليًا مقتصر على عدد صغير من المنشآت الكبيرة في جميع أنحاء العالم.

يمكن لمحركات الليزر-البلازما-ليزر-الذرة الحرة المدمجة أن توسع بشكل كبير الوصول إلى هذه القدرات ، مما يُمكّن المؤسسات التي لا تملك بنية تحتية وطنية الحجم من أداء التصوير والتحليل المتقدم. يمكن أن يسرع هذا التقدم في الأحياء الهيكلية ، وتطوير أشباه الموصلات ، وعلوم المواد ، والتصوير الطبي.

نحو معجلات مدمجة قابلة للتطبيق تجاريًا

يصف نظام TAU النظام الحالي على أنه إنجاز علمي وخطوة نحو التطبيق التجاري. من خلال إثبات أن محركات الليزر-البلازما-ليزر-الذرة الحرة يمكن أن تعمل بشكل موثوق على فترات طويلة ، حل الشركة أحد الحواجز الفنية النهائية للتطبيق في العالم الحقيقي.

随着 استمرار تطور التكنولوجيا ، يمكن لمعجلات مدمجة الانتقال من بيئات البحث المتخصصة إلى استخدامات أوسع في الصناعة والطب. هذا التحول له القدرة على لامركزية الوصول إلى مصادر الضوء المتقدمة وتغيير الجوانب الأساسية لكيفية أداء التصوير والتحليل عالي الدقة عبر صناعات متعددة.