Элементарные процессы в физике, химии и биологии связаны с изменениями атомной или молекулярной структуры в фемтосекундном масштабе времени (1 фемтосекунда (фс) = 10 ^ -15 секунд). Сверхбыстрые рентгеновские методы обладают большим потенциалом для отслеживания структурных изменений в пространстве и времени и создания "фильмов" движений электронов, атомов и молекул. Эта перспектива привела к большой потребности в фемтосекундных импульсах жесткого рентгеновского излучения для применения в рентгеновском рассеянии и спектроскопии.
Существует два основных подхода к генерации ультракоротких импульсов жесткого рентгеновского излучения.
Первые – это источники на основе крупномасштабных электронных ускорителей и ондуляторов, в которых фемтосекундные электронные сгустки излучают яркие рентгеновские импульсы. Вторые – это малогабаритные лабораторные источники, работающие на мощных фемтосекундных оптических лазерах.
Здесь ускорение электронов происходит в сильном электрическом поле оптического импульса, а рентгеновские импульсы генерируются столкновительным взаимодействием таких электронов с атомами металлической мишени, как в обычной рентгеновской трубке.
Исследователи из Института Макса Борна (MBI) в Берлине совершили прорыв в области настольной генерации фемтосекундных рентгеновских импульсов, продемонстрировав стабильную серию импульсов с частотой повторения килогерц и общим потоком около 10-12 рентгеновских фотонов. в секунду. Как они сообщают в Optics Letters, комбинация нового оптического драйвера, обеспечивающего фемтосекундные импульсы среднего инфракрасного диапазона с длиной волны 5 мкм (5000 нм), с металлической ленточной мишенью в геометрии пропускания позволяет генерировать жесткие рентгеновские импульсы с длиной волны 0.154 нм с очень высокой эффективностью.
Оптический драйвер основан на оптическом параметрическом усилении чирпированных импульсов (OPCPA) и выдает импульсы длительностью 80 фс на центральной длине волны 5 мкм с энергией 3 мДж и частотой повторения 1 кГц. Для генерации рентгеновских импульсов средние инфракрасные импульсы плотно фокусируются на тонкой медной мишени.
В оптическом цикле оптического поля электроны извлекаются из медной ленты, ускоряются в вакууме и направляются обратно к цели. Электроны с кинетической энергией до 100 кэВ повторно входят в мишень и генерируют яркую медь K? импульсы на длине волны 0.154 нм, сопровождающееся спектрально широким тормозным излучением.
Более длинный оптический цикл импульсов среднего инфракрасного диапазона по сравнению с импульсами на более коротких длинах оптических волн приводит к более длительному времени ускорения электронов, более высокой кинетической энергии и, в конечном итоге, более высокой эффективности генерации рентгеновского излучения.
Новый настольный источник рентгеновского излучения достигает среднего количества Cu-K? фотоны до 1.5×10 ^ 9 фотонов в импульсе в полном телесном угле или 1.5×10 ^ 12 фотонов в секунду.
Этот поток фотонов в 30 раз выше, чем у обычно используемых настольных источников рентгеновского излучения, управляемых титан-сапфировыми лазерами на центральной длине волны 0 °.8 мкм. Такие параметры источника открывают захватывающие перспективы для исследования сверхбыстрых структурных изменений в конденсированных средах с помощью рассеяния рентгеновских лучей с временным разрешением.