В фокусе: аттосекундный «суперрентген»

Во многих фильмах персонажи оказываются в почти непроглядной темноте: кто-то наблюдает за ними, преследует их или мешает найти нужную вещь. Напряжение в таких сценах наверняка было бы не столь сильным, если бы герои пользовались фонариками получше, а не устройствами со световым пятном размером с монету. Но если оставить шутки в стороне, концентрация большого количества излучения на крошечной площади играет важную роль в изучении множества физических процессов. Ученым Европейского XFEL — рентгеновского лазера на свободных электронах в Шенефельде, Германия, — удалось сфокусировать чрезвычайно интенсивные рентгеновские вспышки длительностью 300 аттосекунд на участке, площадь которого в 100000 раз меньше площади поперечного сечения человеческого волоса. Как исследователи получили такое излучение и что оно поможет увидеть? Обратимся к их работе.

Предпосылки исследования

После открытия способа получения аттосекундных оптических импульсов с помощью генерации высших гармоник (HHG от high-harmonic generation) сверхбыстрые измерения преобразили наше представление о динамике электронов в характерных для нее временных масштабах. Одна аттосекунда составляет 10⁻¹⁸ с, или 0.000000000000000001 с. Метод HHG позволяет создавать такие импульсы в диапазонах экстремального ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения, однако переход к более коротким волнам затруднен: с ростом энергии фотонов эффективность преобразования резко падает.

В области жесткого рентгеновского излучения, которому соответствуют высокие энергии фотонов, рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFEL от X-ray free-electron laser) обладают уникальным сочетанием длины волны атомного масштаба, высокой энергии и фемтосекундной длительности импульсов. Достижения в управлении электронными пучками позволили генерировать излучение отдельными ультракороткими участками электронных сгустков и тем самым сократить длительность импульсов XFEL до аттосекунд. Благодаря нескольким взаимодополняющим подходам аттосекундный режим работы XFEL был реализован как в мягком, так и в жестком рентгеновском диапазоне. Ожидается, что жесткие рентгеновские импульсы такой длительности откроют новые возможности для науки. В частности, измерения можно будет проводить до того, как облучение вызовет значительное электронное возбуждение. Это создает перспективы для изучения нелинейных рентгеновских явлений высших порядков, а также для дифракционных и спектроскопических исследований без радиационного повреждения образца. Кроме того, несколько аттосекундных импульсов, полученных с помощью оптических систем разделения и задержки, могут обеспечить когерентное управление атомами и молекулами за счет интерференции квантовых путей.

Для многих предполагаемых применений аттосекундных импульсов жесткого рентгеновского излучения особенно важны два параметра. Первый — плотность энергии, или флюенс, то есть энергия импульса на единицу площади. Высокий флюенс особенно полезен при исследовании микроскопических образцов, которые меньше поперечного размера рентгеновского пучка. Второй параметр — пиковая интенсивность, определяемая как плотность энергии, деленная на длительность импульса. Высокоинтенсивные рентгеновские импульсы позволяют вызывать заметные нелинейные эффекты.

В рассматриваемой работе ученые получили рекордные значения флюенса и пиковой интенсивности аттосекундных импульсов жесткого рентгеновского излучения, объединив мощный источник на базе XFEL с современной фокусирующей оптикой. Высокую мощность источника обеспечивает разработанный в Европейском XFEL режим self-chirping — самостоятельного формирования частотной модуляции электронного пучка. При прохождении линейного ускорителя пучок длительностью несколько фемтосекунд и с высокой пиковой плотностью тока, около 10 кА, приобретает сильный энергетический чирп, то есть закономерное изменение энергии электронов во времени. Это происходит под действием продольных эффектов пространственного заряда и когерентного синхротронного излучения. Затем пучок сжимается на дуговом участке ускорителя и поступает в ондулятор SASE-2, где формирует аттосекундные импульсы жесткого рентгеновского излучения с энергией в несколько сотен микроджоулей. Такой показатель более чем на порядок превосходит ранее достигнутые значения для подобных импульсов.

Таблица №1

Для фокусировки рентгеновских импульсов применяется оптическая система с четырехкратным полным внешним отражением — усовершенствованная система зеркал Киркпатрика — Баэза (AKB от advanced Kirkpatrick–Baez). Ее ахроматические свойства и высокая устойчивость к радиационным повреждениям позволяют эффективно фокусировать жесткое рентгеновское излучение, сохраняя временные характеристики импульсов. Подробности конструкции приведены в таблице выше.

Результаты исследования

Эксперименты со сфокусированными аттосекундными импульсами жесткого рентгеновского излучения проводили на станции MID (от Materials Imaging and Dynamics) линии SASE-2 Европейского XFEL. Ускоритель работал в режиме самочирпирования (от self-chirping) при энергии электронного пучка 14 ГэВ. При этом рентгеновские импульсы генерировались с центральной энергией фотонов 10 кэВ и частотой повторения 10 Гц. Средняя энергия импульса, измеренная калиброванным газовым монитором рентгеновского излучения в туннеле XTD1 на расстоянии 210 м от выхода ондулятора, составила 140 мкДж, а максимальная достигла 380 мкДж.

Поскольку расстояние от ондуляторов до экспериментальной станции составляет почти 1 км, за ними установили составную преломляющую линзу из бериллия. Она коллимировала рентгеновский пучок и согласовывала его размер с расположенной далее оптической апертурой. Затем пучок направляли два плоских зеркала с покрытием из карбида бора (B₄C). Их установили под скользящим углом падения около 2.6 мрад, чтобы подавить вклад высших гармоник.

Спектр каждого импульса измеряли неразрушающим способом с помощью спектрометра HIREX, включающего двумерный детектор и изогнутый алмазный кристалл с отражающей плоскостью 220. Прибор расположен непосредственно за плоскими зеркалами в туннеле XTD6. Фокусирующая система состояла из двух монолитных зеркал, размещенных в вакуумной многоцелевой камере (MPC от multipurpose chamber) на станции MID. Каждое зеркало было закреплено на отдельном гексаподе.

Перед фокусирующей оптикой установили проходной монитор интенсивности. С помощью детектора ePix-100 он измерял рассеяние рентгеновского излучения на поликристаллической алмазной пленке толщиной 15 мкм. Интегральную интенсивность рассеяния каждого импульса сопоставляли с его энергией в фокальной точке. Для измерения последней использовали лазерный измеритель мощности, предварительно откалиброванный по рентгеновскому калориметру.

Изображение №1

На 1a показаны спектры отдельных импульсов, зарегистрированных за 12 последовательных выстрелов. Обычно они содержат лишь несколько пиков, в отличие от спектров стандартных фемтосекундных импульсов XFEL, генерируемых в режиме самопроизвольного усиления спонтанного излучения: в них, как правило, наблюдаются десятки пиков. Эта особенность согласуется с тем, что излучение возникает только на ультракоротком участке электронного сгустка. На 1b представлено распределение числа спектральных пиков по результатам 74000 выстрелов. В 13.7% случаев спектр содержал один пик. При подсчете учитывали пики высотой не менее 20% и выраженностью не менее 5% от максимальной интенсивности спектра. Спектры однопиковых импульсов почти симметричны относительно центральной энергии фотонов и хорошо аппроксимируются гауссовой функцией (1c).

Изображение №2

Средняя энергия однопиковых импульсов в фокальной точке составляла 45 мкДж, а максимальная достигала 100 мкДж. Типичная ширина спектра на полувысоте (FWHM от full width at half-maximum) равнялась 6 эВ (2a–2c). Если считать импульс гауссовым и спектрально ограниченным, такой ширине спектра соответствует длительность на полувысоте в 300 ас, или аттосекунд. При линейной либо нелинейной частотной модуляции — чирпе — фактическая длительность превышает этот предел. Тем не менее в данном случае предположение о спектрально ограниченном импульсе дает достаточно обоснованную оценку.

Моделирование усиления в лазере на свободных электронах при самомодуляции частоты показывает, что спектральный чирп получаемых рентгеновских импульсов невелик. Следовательно, их длительность близка к спектрально ограниченному пределу. Распределение интенсивности в фокусе исследовали сканированием с помощью золотых проволок (2d). Чтобы предотвратить радиационное повреждение проволоки, энергию падающих импульсов снижали в 10⁷ раз аттенюаторами, установленными в канале транспортировки пучка. Сканирование проводили с шагом 100 нм, собирая в каждой точке данные по 50 последовательным импульсам. Интенсивность прошедшего пучка регистрировал детектор Jungfrau 0.5M, расположенный в 600 мм за проволокой. Горизонтальный и вертикальный профили пучка хорошо описывались гауссовыми функциями. Размер фокального пятна составил 180 ± 12 нм по горизонтали и 330 ± 36 нм по вертикали; погрешности соответствуют неопределенностям аппроксимации. Колебания направления рентгеновских импульсов от выстрела к выстрелу в системе AKB составляли порядка 10 нрад, поэтому поперечные смещения пучка в фокальной плоскости были пренебрежимо малы.

По этим параметрам ученые оценили плотность энергии и пиковую интенсивность в фокусе: они составили соответственно (6.7 ± 0.9) × 10⁴ Дж/см² и (2.1 ± 0.3) × 10²⁰ Вт/см². Для расчета использовались выражения (4ln2/π) × 45 мкДж / (180 ± 12 нм × 330 ± 36 нм) для плотности энергии и (4ln2/π)^3/2 × 45 мкДж / (180 ± 12 нм × 330 ± 36 нм × 300 ас) для пиковой интенсивности. Коэффициенты 4ln2/π и (4ln2/π)^3/2 учитывают гауссовы пространственный и временной профили, определяемые размерами пучка и длительностью импульса. Полученные значения примерно на порядок превышают ранее зарегистрированные показатели для аттосекундных импульсов XFEL: 2 × 10³ Дж/см² и 3 × 10¹⁹ Вт/см².

Достигнутые флюенс и интенсивность также сопоставимы с лучшими ранее описанными результатами для сильно сфокусированных фемтосекундных импульсов XFEL, а в некоторых случаях превосходят их. Исключение составляет один недавний эксперимент, в котором интенсивность достигла порядка 10²² Вт/см². Высокие значения этих параметров у фемтосекундных импульсов XFEL уже расширили возможности исследования нелинейных рентгеновских явлений и коллективного рентгеновского излучения, а также когерентной визуализации с высоким разрешением. Аттосекундные импульсы жесткого рентгеновского излучения, представленные в новой работе, позволят перенести такие исследования в аттосекундный временной диапазон.

Чтобы подтвердить высокую пиковую интенсивность полученных импульсов, исследователи изучили нелинейное взаимодействие рентгеновского излучения с веществом, а именно усиленное спонтанное излучение (ASE от amplified spontaneous emission) атомов меди. ASE — коллективный радиационный процесс, при котором спонтанно испущенные фотоны усиливаются за счет вынужденного излучения при прохождении через среду с инверсной населенностью уровней. В жестком рентгеновском диапазоне ASE может возникать в мишенях из 3d-переходных металлов под действием интенсивных импульсов, энергия фотонов которых превышает энергию связи электронов K-оболочки. По литературным данным, пороговая интенсивность возникновения ASE составляет порядка 10¹⁹ Вт/см². Для насыщения ASE необходимо создать достаточно большую населенность состояний с вакансиями на внутренних электронных оболочках. Одной из возможных причин насыщения служит истощение основного состояния из-за фотоионизации, происходящей быстрее, чем длится флуоресценция. Длительность флуоресценции ограничена временем жизни вакансии на внутренней оболочке (τ_c), а скорость фотоионизации можно приблизительно выразить как σ_phI/(ℏω), где σ_ph — сечение фотопоглощения на внутренних оболочках нейтрального атома, I — интенсивность рентгеновского излучения, а ℏω — энергия фотона. Из условия истощения основного состояния за время флуоресценции следует оценка интенсивности накачки, необходимой для насыщения ASE: ℏω/(σ_phτ_c). Для меди при энергии фотонов 10 кэВ она составляет 1.7 × 10²⁰ Вт/см² при ℏω = 10 кэВ, σ_ph = 2.3 × 10⁴ барн/атом и τ_c = 0.4 фс. Поскольку эта величина близка к оценочной пиковой интенсивности исследуемых аттосекундных импульсов, ASE подходит в качестве критерия подтверждения их сверхвысокой интенсивности.

Изображение №3

Для измерения ASE в фокальной плоскости размещали медную фольгу толщиной 20 мкм. Испускаемый в прямом направлении флуоресцентный сигнал регистрировали детектором Jungfrau 0.5M, установленным по ходу пучка на расстоянии 600 мм от мишени. Чтобы избежать насыщения детектора и подавить регистрацию фотонов с энергией 10 кэВ, прошедших через мишень или рассеянных ею, в 20 мм перед детектором помещали дополнительную медную фольгу толщиной 120 мкм. Выше показана зависимость числа зарегистрированных фотонов флуоресценции от энергии падающего на мишень однопикового импульса. При увеличении энергии примерно до 20 мкДж выход флуоресценции растет почти экспоненциально, что характерно для ASE непосредственно выше порога интенсивности. При дальнейшем повышении энергии рост постепенно замедляется и в итоге достигает насыщения. Скользящее среднее числа зарегистрированных фотонов флуоресценции приближается к постоянному значению при энергии импульса выше 50 мкДж. Это явно указывает на насыщение ASE. Если принять длительность импульса равной 300 ас, энергия 50 мкДж соответствует пиковой интенсивности 2.3 × 10²⁰ Вт/см². Полученное значение хорошо согласуется с приведенной выше расчетной интенсивностью насыщения ASE — 1.7 × 10²⁰ Вт/см². Таким образом, результаты подтверждают генерацию импульсов с интенсивностью порядка 10²⁰ Вт/см².

Подробнее с методикой и результатами можно ознакомиться в докладе ученых.

Эпилог

Представленные в исследовании аттосекундные импульсы жесткого рентгеновского излучения с высокой интенсивностью и плотностью энергии существенно расширяют возможности лазеров на свободных электронах. В частности, достигнутая пиковая интенсивность показывает, что такие импульсы могут стать инструментом для изучения нелинейных рентгеновских процессов высших порядков.

Помимо исследований нелинейных явлений, новые импульсы открывают возможности для определения структуры вещества без электронных повреждений: измерения можно проводить до того, как возникнут существенная электронная релаксация и повреждения образца.

Сочетание сверхкороткой длительности, высокого потока фотонов и сильных электрических полей также создает перспективы для управления электронными волновыми пакетами и когерентного контроля атомной и молекулярной динамики с помощью рентгеновского излучения. Таким образом, продемонстрированные импульсы — важный шаг к наблюдению и управлению электронными процессами в веществе на свойственных им временных масштабах и с пространственным разрешением атомного порядка.

Немного рекламы

Спасибо, что читаете нас. Нравятся наши статьи и хотите больше интересных материалов? Поддержите нас заказом или порекомендуйте знакомым облачные VPS для разработчиков от $4.99. Также обратите внимание на разработанную нами альтернативу серверам начального уровня: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? Доступны конфигурации с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4.

Dell R730xd вдвое дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? У нас доступны 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Узнайте, как построить инфраструктуру корпоративного класса с серверами Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки.

 

Источник