TAU Systems สาธิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่ขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์ทำงานได้อย่างเสถียรนานกว่าแปดชั่วโมง

การศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Accelerators and Beams อธิบายรายละเอียดของความก้าวหน้าครั้งสำคัญในฟิสิกส์ของเครื่องเร่งอนุภาค: TAU Systems โดยทำงานร่วมกับนักวิจัยที่ Lawrence Berkeley National Laboratory ได้ประสบความสำเร็จในการเดินระบบเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ (FEL) ที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องเร่งอนุภาคเลเซอร์-พลาสมา (LPA) ที่มีเสถียรภาพและระยะเวลานานเป็นครั้งแรก ระบบนี้สามารถทำงานต่อเนื่องได้มากกว่า 8 ชั่วโมงโดยไม่ต้องมีการแทรกแซงจากผู้ดำเนินการ โดยเอาชนะหนึ่งในอุปสรรคที่คงอยู่ยาวนานที่สุดในสาขานี้ และทำให้แหล่งกำเนิดแสงแบบกะทัดรัดมีความเป็นไปได้ในการใช้งานจริงมากขึ้น

การสร้างเลเซอร์แบบ อิเล็กตรอนอิสระ ใหม่

เลเซอร์แบบ อิเล็กตรอนอิสระ เป็นเครื่องมือที่จำเป็นสำหรับการตรวจสอบสสารที่ระดับอะตอมและโมเลกุล โดยผลิตแสงสว่างที่มีความสว่างและความสามารถในการปรับเปลี่ยนสเปกตรัมอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ระบบทั่วไปขึ้นอยู่กับเครื่องเร่งอนุภาคแบบเรดิโอฟรีเควนซี่ที่ต้องการโครงสร้างพื้นฐานขนาดใหญ่ ซึ่งมักกินพื้นที่ทั่วทั้งวิทยาเขตการวิจัย

เครื่องเร่งอนุภาค LPA มีสถาปัตยกรรมที่แตกต่างโดยพื้นฐาน โดยใช้เลเซอร์ปัลส์ที่มีความเข้มข้นสูงในการขับเคลื่อนคลื่นพลาสมา อิเล็กตรอนสามารถเร่งความเร็วได้ภายในระยะทางที่วัดได้ในระดับมิลลิเมตร แทนที่จะเป็นร้อยเมตร ซึ่งทำให้สามารถลดขนาดของระบบ FEL ได้อย่างมากโดยยังคงรักษาความสามารถในการทำงานสูง

แม้ว่ามีความหวัง แต่การนำ LPA มาใช้เป็นแหล่งขับเคลื่อน FEL ที่ใช้งานได้จริงยังคงทำได้ยากเนื่องจากความไม่เสถียรของคุณภาพของลำอิเล็กตรอน ความแปรผันระหว่างพัลส์แต่ละครั้ง และความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพเลเซอร์และพลาสมา

การออกแบบเสถียรภาพเข้าไปในระบบที่ซับซ้อน

ความก้าวหน้านี้เกิดขึ้นในการทดลอง BELLA Center’s Hundred Terawatt Undulator (HTU) โดยที่ TAU Systems และนักวิจัยจาก Berkeley Lab บูรณาการกลไกรักษาเสถียรภาพหลายชั้นทั่วทั้งระบบ

การทดลองนี้ผลิตอิเล็กตรอนบีมที่ 100 MeV ที่อัตราการทำซ้ำ 1 Hz อย่างต่อเนื่อง โดยรักษาค่าพารามิเตอร์ของบีมที่สอดคล้องกันในช่วง 10 ชั่วโมง อิเล็กตรอนบีมเหล่านี้ถูกใช้ในการขับเคลื่อน FEL ที่ทำงานโดยการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองและขยายตัวเอง (SASE) ที่ความยาวคลื่น 420 นาโนเมตร ในช่วงตั้งแต่แสงสีน้ำเงินที่มองเห็นได้ถึงรังสีอัลตราไวโอเลต

สิ่งสำคัญคือว่าเอาต์พุตของ FEL ยังคงเสถียรเป็นเวลาเกิน 8 ชั่วโมงโดยไม่ต้องมีการปรับแต่งหรือการแทรกแซงจากผู้ดำเนินการ ระดับของการทำงานอัตโนมัตินี้แสดงให้เห็นว่าระบบสามารถรักษาการจัดตำแหน่งระหว่างเลเซอร์ พลาสมา ลำอิเล็กตรอน และอันดูเลเตอร์เป็นเวลานาน ซึ่งเป็นสิ่งที่ยากที่จะบรรลุในอดีต

เสถียรภาพนี้ไม่ได้มาจากความก้าวหน้าเดียว แต่เป็นผลมาจากชุดของวิธีแก้ปัญหาทางวิศวกรรม รวมถึงการควบคุมลักษณะของเลเซอร์ปัลส์ การควบคุมความหนาแน่นของพลาสมา และการเพิ่มประสิทธิภาพการขนส่งลำอิเล็กตรอน เมื่อรวมกันแล้ว สิ่งเหล่านี้ทำให้ระบบสามารถทำงานเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ทำงานเป็นระบบเดียวกันและมีสมรรถนะสม่ำเสมอ

การทำความเข้าใจการเชื่อมโยงระหว่างเลเซอร์-พลาสมา-FEL

หนึ่งในผลลัพธ์ที่มีคุณค่าที่สุดของการทดลองไม่ใช่แค่การทำงานต่อเนื่องยาวนาน แต่ยังรวมถึงปริมาณและคุณภาพของข้อมูลที่รวบรวมระหว่างการทำงาน

เป็นครั้งแรกที่นักวิจัยสามารถจัดทำแผนผังอย่างเป็นระบบ ว่าความผันผวนของเลเซอร์และสภาพพลาสมาแพร่กระจายผ่านเครื่องเร่งอนุภาคและส่งผลต่อเอาต์พุตของ FEL อย่างไร โดยการวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์อินพุตและคุณลักษณะของลำอิเล็กตรอนที่ได้ ทีมงานระบุว่าตัวแปรใดที่มีผลกระทบมากที่สุดต่อเสถียรภาพและความสว่าง

ชุดข้อมูลประเภทนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเพราะว่า FEL ที่ขับเคลื่อนโดย LPA เกี่ยวข้องกับกระบวนการไม่เชิงเส้นที่เชื่อมโยงกันอย่างแน่นแฟ้น การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในหนึ่งส่วนของระบบสามารถมีผลกระทบที่เพิ่มขึ้นในกระบวนการหลังได้ การมีข้อมูลที่ต่อเนื่องและคุณภาพสูงเป็นเวลาหลายชั่วโมงทำให้นักวิจัยสามารถแยกความสัมพันธ์เหล่านี้และปรับปรุงกลยุทธ์การควบคุม

ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าการปรับปรุงเพิ่มเติมสามารถทำได้ โดยที่สหสัมพันธ์ที่เหลือแสดงว่ายังคงมีการปรับปรุงในคุณภาพของลำอิเล็กตรอนและเสถียรภาพของเอาต์พุต

การข้ามขอบเขตจากการทดลองไปสู่แพลตฟอร์ม

ในอดีต FEL ที่ขับเคลื่อนโดย LPA มักจะถูกจำกัดไว้ที่การแสดงผลที่มีอายุการใช้งานสั้น ๆ ซึ่งต้องการการปรับแต่งและควบคุมอย่างต่อเนื่อง และผลลัพธ์ที่ไม่สอดคล้องกัน ซึ่งทำให้ไม่สามารถใช้งานในกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ที่ต้องการความน่าเชื่อถือและความสามารถในการทำซ้ำได้

โดยการแสดงให้เห็นถึงการทำงานที่มีเสถียรภาพเป็นเวลาหลายชั่วโมงโดยไม่ต้องมีการแทรกแซง TAU Systems และ Berkeley Lab ได้เปลี่ยนเทคโนโลยีนี้จากการทดลองที่อ่อนแอไปสู่แพลตฟอร์มที่ทำงานได้จริง ซึ่งเปิดโอกาสให้มีการทดลองที่ยาวนานขึ้น การวัดที่สามารถทำซ้ำได้ และการใช้งานที่ซับซ้อนมากขึ้น

ระบบนี้ตอนนี้ถูกวางตำแหน่งเป็นแพลตฟอร์มการวิจัยสำหรับชุมชนวิทยาศาสตร์ที่กว้างขึ้น โดยทำให้สามารถทำการศึกษาที่มีรายละเอียดเกี่ยวกับการเชื่อมโยงระหว่างเครื่องเร่งอนุภาคและแหล่งกำเนิดแสงได้ ซึ่งก่อนหน้านี้ไม่เหมาะจะดำเนินการในทางปฏิบัติเนื่องจากความไม่เสถียรและเวลาทำงานที่จำกัด

การขยายการเข้าถึงแหล่งกำเนิดแสงสว่างที่มีความสว่างสูง

ผลกระทบในวงกว้างของการบรรลุนี้มีความสำคัญอย่างมาก การเข้าถึงแหล่งกำเนิดแสง X-ray และอัลตราไวโอเลตที่มีความสว่างสูงในปัจจุบันถูกจำกัดไว้ที่จำนวนเล็กน้อยของสถานที่ขนาดใหญ่ทั่วโลก

FEL ที่ขับเคลื่อนโดย LPA ที่มีขนาดกะทัดรัดสามารถขยายการเข้าถึงความสามารถเหล่านี้ได้อย่างมาก ทำให้สถาบันที่ไม่มีโครงสร้างพื้นฐานระดับชาติสามารถทำการถ่ายภาพและวิเคราะห์ที่มีความละเอียดสูงได้ ซึ่งสามารถเร่งความก้าวหน้าในด้านชีววิทยาโครงสร้าง การพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์ วิทยาศาสตร์วัสดุ และการถ่ายภาพทางการแพทย์

สู่เครื่องเร่งอนุภาคกะทัดรัดที่มีความสามารถในการใช้งานเชิงพาณิชย์

TAU Systems อธิบายระบบปัจจุบันว่าเป็นทั้งเหตุการณ์สำคัญทางวิทยาศาสตร์และเป็นก้าวหนึ่งสู่การนำไปใช้เชิงพาณิชย์ โดยการแสดงให้เห็นว่า FEL ที่ขับเคลื่อนโดย LPA สามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือเป็นเวลานาน บริษัทได้แก้ไขหนึ่งในอุปสรรคทางเทคนิคขั้นท้าย ๆที่ขัดขวางการนำไปใช้งานจริง

เมื่อเทคโนโลยีนี้ยังคงพัฒนาต่อไป เครื่องเร่งอนุภาคกะทัดรัดอาจเคลื่อนจากสภาพแวดล้อมการวิจัยที่มีการเชี่ยวชาญไปสู่การใช้งานอุตสาหกรรมและคลินิกที่กว้างขึ้น การเปลี่ยนแปลงนี้มีศักยภาพในการกระจายการเข้าถึงแหล่งกำเนิดแสงสว่างที่มีความสามารถสูงและเปลี่ยนแปลงวิธีการทำการถ่ายภาพและวิเคราะห์ที่มีความละเอียดสูงในหลายอุตสาหกรรม