TAU Systems демонструє стабільну роботу лазерно-індукованої вільної електрон-лазерної системи протягом понад восьми годин

У новому дослідженні, опублікованому в Physical Review Accelerators and Beams, описано значний прорив в фізиці прискорювачів: TAU Systems, спільно з дослідниками з Lawrence Berkeley National Laboratory, досягли першої надійної та тривалої роботи лазерно-плазмового прискорювача (ЛПП)-індукованої вільної електрон-лазерної системи (ВЕЛ). Система підтримувала безперервну роботу понад вісім годин без втручання оператора, подолавши один з найбільш стійких бар’єрів у галузі та наблизивши компактні джерела світла до практичного застосування.

Переосмислення вільної електрон-лазерної системи

Вільні електрон-лазери є важливими інструментами для дослідження речовини на атомному та молекулярному рівнях, виробляючи надзвичайно яскраве та настроюване світло у широкому спектрі. Однак традиційні системи залежать від радіочастотних прискорювачів, які вимагають величезної інфраструктури, часто займаючи цілі дослідницькі кампуси.

ЛПП пропонують фундаментально іншу архітектуру. Використовуючи надінтенсивні лазерні імпульси для генерації плазмових хвиль, електрони можуть бути прискорені на відстанях, вимірюваних міліметрами, а не сотнями метрів. Це створює можливість драматично зменшити розміри систем ВЕЛ, зберігаючи при цьому високу продуктивність.

Незважаючи на цю обіцянку, переклад ЛПП у працездатні драйвери ВЕЛ залишався недосяжним через нестабільність якості променя, варіацію від пострілу до пострілу та чутливість до коливань лазерних та плазмових умов.

Інженерія стабільності у складній системі

Прорив був досягнутий на експерименті BELLA Center’s Hundred Terawatt Undulator (HTU), де TAU Systems та дослідники з Berkeley Lab інтегрували кілька рівнів стабілізації по всій системі.

Експеримент виробляв електронні промені з енергією 100 МеВ при сталій частоті повторення 1 Гц, підтримуючи стабільні параметри променя протягом безперервного десятигодинного періоду. Ці електронні промені були потім використані для генерації самозбудженої спонтанної емісії (ССЕ) ВЕЛ, що працює на довжині хвилі 420 нм, у видимому синьому та ультрафіолетовому діапазоні.

Вирішальною була не тільки тривала робота, а й об’єм і якість даних, зібраних під час експерименту.

Стабільність не була результатом одного поліпшення, а скоріше скоординованим набором інженерних рішень, включаючи точний контроль лазерних імпульсів, регулювання густини плазми та оптимізацію транспорту променя. Разом ці елементи дозволили системі функціонувати як інтегроване та стабільне джерело світла.

Розуміння зв’язку лазер-плазма-ВЕЛ

Одним з найбільш цінних результатів експерименту була не тільки тривала робота, а й об’єм і якість даних, зібраних під час експерименту.

Вперше дослідники змогли систематично вивчити, як коливання лазерних імпульсів та плазмових умов поширюються через прискорювач і впливають на вихід ВЕЛ. Аналізуючи кореляції між вхідними параметрами та характеристиками променя, команда визначила, які змінні мають найбільший вплив на стабільність та яскравість.

Цей тип даних особливо важливий, оскільки ЛПП-ВЕЛ включає тісно пов’язані нелінійні процеси. Незначні варіації в одній частині системи можуть мати посилені ефекти вниз по течії. Маємо безперервні, високоякісні дані протягом багатьох годин, дослідники можуть ізолювати ці відносини та вдосконалити стратегії контролю.

Результати свідчать про те, що додаткові поліпшення є досяжними, з залишковими кореляціями, що вказують на те, що подальші здобутки у якості променя та стабільності виходу залишаються в межах досяжності.

Перехід від експерименту до платформи

Історично ЛПП-ВЕЛ були обмежені короткочасними демонстраціями, часто вимагаючи постійних ручних налаштувань та виробляючи нестабільний вихід. Це запобігало їхньому використанню в реальних наукових потоках, де надійність та повторюваність є суттєвими.

Демонструючи багаторічну, безопeraційну роботу, TAU Systems та Berkeley Lab фактично перейшли технологію від хрупкого експерименту до функціонуючої платформи. Це відкриває двері до тривалих експериментів, повторюваних вимірювань та більш просунутих випадків використання.

Система тепер позиціонується як дослідницька платформа для широкої наукової спільноти, що дозволяє проводити детальні дослідження зв’язку прискорювача-джерела світла, які раніше були недосяжними через нестабільність та обмежений час роботи.

Розширення доступу до джерел високої яскравості

Ширші наслідки цього досягнення суттєві. Доступ до джерел високої яскравості рентгенівського та ультрафіолетового світла зараз обмежений невеликою кількістю великомасштабних об’єктів у світі.

Компактні ЛПП-ВЕЛ можуть суттєво розширити доступ до цих можливостей, дозволяючи інститутам без національної інфраструктури проводити просунуті дослідження зображення та аналізу. Це може прискорити прогрес у структурній біології, розробці напівпровідників, матеріалознавстві та медичній візуалізації.

До комерційно життєздатних компактних прискорювачів

TAU Systems описує поточну систему як науковий прорив та ступінь до комерціалізації. Доведши, що ЛПП-ВЕЛ можуть працювати надійно протягом тривалого часу, компанія подолала один з останніх технічних бар’єрів до реального застосування.

По мірі того, як технологія продовжує дорослішати, компактні прискорювачі можуть перейти з спеціалізованих дослідницьких середовищ до ширшого промислового та клінічного використання. Цей зсув має потенціал децентралізувати доступ до просунутих джерел світла та фундаментально змінити, як проводиться високоякісне зображення та аналіз у декількох галузях.