TAU Systems מדגימה הפעלה יציבה של לייזר-אלקטרון חופשי מונע לייזר-פלזמה למשך יותר משמונה שעות

מחקר חדש שפורסם ב- Physical Review Accelerators and Beams מפרט מסוג אחד מהצעדים הגדולים בפיזיקת מאיצים: TAU Systems, בשיתוף עם חוקרים במעבדה הלאומית לורנס ברקלי, השיגה לראשונה הפעלה אמינה וארוכת טווח של מאיץ לייזר-פלזמה (LPA) – מנוע לייזר-אלקטרון חופשי (FEL). המערכת שמרה על ביצועים רציפים למשך יותר משמונה שעות ללא התערבות מפעיל, ובכך עברה את אחד המחסומים העיקשים ביותר בתחום והביאה מקורות אור קומפקטיים יותר לקראת פריסה מעשית.

שיחזור הלייזר-אלקטרון החופשי

לייזר-אלקטרון חופשי הם כלים חיוניים לחקירת חומר בקנה מידה אטומי ומולקולרי, ומייצרים אור בהיר ומותאם ברמה גבוהה מאוד בטווח רחב. אולם, מערכות קונבנציונליות תלויות במאיצים רדיו-תדר שדורשים תשתית עצומה, לעיתים קרובות בשטח של קמפוסים שלמים.

LPA מציעה ארכיטקטורה שונה באופן מהותי. על ידי שימוש בפולסים לייזר אולטרה-אינטנסיביים להנעת גלי פלזמה, אלקטרונים יכולים להימשך במרחקים המודדים במילימטרים ולא במאות מטרים. זה יוצר את האפשרות לצמצם באופן דרמטי את השטח של מערכות FEL בעודו שומר על ביצועים גבוהים.

למרות ההבטחה הזו, תרגום LPA לנהגי FEL שימושיים נותר אלוזורי בגלל אי-יציבות באיכות הקרן, וריאציה מירי לירי ורגישות לשינויים בתנאי לייזר ופלזמה.

הנדסת יציבות למערכת מורכבת

הפריצה התרחשה ב- מרכז BELLA בניסוי Hundred Terawatt Undulator (HTU), שם TAU Systems וחוקרי Berkeley Lab שילבו שכבות מרובות של יציבות ברחבי המערכת כולה.

הניסוי הפיק קרני אלקטרון באנרגיה של 100 MeV בקצב חזרה יציב של 1 Hz, ושמר על פרמטרים קבועים של קרן לאורך תקופה רציפה של עשר שעות. קרני אלקטרון אלו שימשו להנעת FEL מסוג self-amplified spontaneous emission (SASE) הפועל באורך גל של 420 nm, בתחום האור הכחול-אולטרה-סגול.

בנקודה קריטית, יציאת ה-FEL נותרה יציבה למשך יותר משמונה שעות ללא כל כיוונון ידני או התערבות. רמת ההפעלה האוטונומית הזו מדגימה שהמערכת יכולה לשמור על הסתיידות בין הלייזר, פלזמה, קרן אלקטרון ו-אונדולטור לאורך תקופות ממושכות, משהו שהיה בעבר קשה מאוד להשגה.

היציבות לא הייתה תוצאה של שיפור בודד, אלא סט שתואם של פתרונות הנדסיים, כולל בקרה מדויקת של אופי הפולס הלייזר, רגולציה של צפיפות פלזמה ואופטימיזציה של הובלת קרן. יחד, אלמנטים אלו איפשרו למערכת לפעול כמקור אור משולב ועקבי.

הבנת הקישור לייזר-פלזמה-FEL

אחד התוצאות היקרות ביותר של הניסוי לא היה רק ההפעלה הממושכת, אלא גם נפח ואיכות הנתונים שנאספו במהלך הריצה.

בפעם הראשונה, החוקרים יכלו למפות באופן שיטתי כיצד תנודות בלייזר המניע ובתנאי פלזמה משפיעות על יציאת FEL. על ידי ניתוח המתאמים בין פרמטרים קלט ואופי קרן התוצאה, הצוות זיהה אילו משתנים הם בעלי ההשפעה הגדולה ביותר על יציבות ובהירות.

סוג זה של מאגר נתונים הוא בעל חשיבות מיוחדת, מכיוון ש-FEL מונע LPA כוללים תהליכים לא ליניאריים מקושרים הדוק. שינויים קטנים בחלק אחד של המערכת יכולים להיות בעלי השפעות מוגברות במורד הזרם. נתונים רציפים ובאיכות גבוהה לאורך שעות רבות מאפשרים לחוקרים לבודד את היחסים האלו ולשפר אסטרטגיות בקרה.

הממצאים מראים כי שיפורים נוספים הם בני השגה, וקורלציות שורדות מצביעות על כך שעדיין ניתן להשיג שיפורים נוספים באיכות קרן ויציבות יציאה.

חציית הרף מניסוי לפלטפורמה

באופן היסטורי, FEL מונע LPA היו מוגבלים להדגמות קצרות, לעיתים קרובות דורשות התאמות ידניות קבועות ומייצרות יציאה לא עקבית. זה מנע את שימושן בזרימות עבודה מדעיות אמיתיות, שם אמינות וחזרתיות הן חיוניות.

בהדגמת הפעלה ללא התערבות למשך מספר שעות, TAU Systems ו-Berkeley Lab העבירו באופן אפקטיבי את הטכנולוגיה מניסוי רגיש לפלטפורמה פעילה. זה פותח את הדלת לניסויים ארוכים יותר, מדידות חוזרות ומקרים שימוש מתקדמים יותר.

המערכת כעת מוצבת כפלטפורמת מחקר לקהילה המדעית הרחבה, מאפשרת מחקרים מפורטים של קישור מאיץ-למקור אור שהיו בעבר בלתי מעשיים בגלל אי-יציבות וזמן ריצה מוגבל.

הרחבת הגישה למקורות אור בהירות גבוהה

המשמעויות הרחבות של הישג זה משמעותיות. גישה למקורות אור X-ray ואולטרה-סגול בהירות גבוהה מוגבלת כיום למספר קטן של מתקנים בקנה מידה עולמי.

FEL קומפקטיים מונעי LPA יכולים להרחיב באופן משמעותי את הגישה ליכולות אלו, מאפשרים למוסדות ללא תשתית בקנה מידה לאומי לבצע ניתוח ודימות מתקדמים. זה יכול לאיץ את הקדמה בביולוגיה מבנית, פיתוח סמיקונדוקטורים, מדע חומרים ודימות רפואית.

לעבר מאיצים קומפקטיים הראויים לשיווק

TAU Systems מתארת את המערכת הנוכחית כציון דרך מדעי וכאבן דרך לקראת מסחור. על ידי הוכחה ש-FEL מונע LPA יכולים לפעול באופן אמין למשך תקופות ממושכות, החברה פתרה את אחד המחסומים הטכניים האחרונים לפריסה בעולם האמיתי.

ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להבן, מאיצים קומפקטיים יכולים לעבור מסביבות מחקר מיוחדות לשימושים תעשייתיים וקליניים רחבים יותר. המהלך הזה יכול להביא להפצה מרוכזת של גישה למקורות אור מתקדמים ולשנות באופן מהותי כיצד ביצועים של דימות וניתוח ברזולוציה גבוהה בתעשיות מרובות.