Wissenschaftler betreiben kompakten freien-Elektronenlaser über acht Stunden

Seit Jahrzehnten gehören Freie-Elektronen-Laser (FELs) zu den leistungsfähigsten Werkzeugen in der Wissenschaft – sie ermöglichen es Forschern, Atome in Bewegung zu beobachten, chemische Reaktionen in Echtzeit zu untersu Seit Jahrzehnten gehören Freie-Elektronen-Laser (FELs) zu den leistungsfähigsten Werkzeugen in der Wissenschaft – sie ermöglichen es Forschern, Atome in Bewegung zu beobachten, chemische Reaktionen in Echtzeit zu untersuchen und Materialien auf den kleinsten Skalen zu sondieren.

Allerdings gibt es einen Haken. Diese Maschinen sind enorm, oft mehrere Kilometer lang, was sie selten und teuer macht.

Dies könnte sich jedoch bald ändern. Zum ersten Mal haben Forscher gezeigt, dass ein viel kleineres System einen FEL über acht Stunden lang kontinuierlich betreiben kann.

„Wir berichten von signifikanten Verbesserungen der

„Wir berichten von signifikanten Verbesserungen der Stabilität eines hundert-Terawatt-Lasersystems, was zu einer erfolgreichen Demonstration des zuverlässigen, langfristigen Betriebs eines LPA-betriebenen FEL führte“, weisen die Studienautoren darauf hin.

Dieser Fortschritt könnte diese leistungsstarken Lichtquellen aus massiven Anlagen und in zugänglichere Labore bringen und potenziell die Forschung in Physik, Chemie, Medizin und Industrie neu gestalten. Wie FELs funktionieren und warum ihre Verkleinerung so schwierig ist Im Zentrum eines FEL steht ein Strahl hochenergetischer Elektronen.

Diese Elektronen werden durch ein Gerät namens Undulator geschossen, das abwechselnde Magnetfelder nutzt, um sie hin und her zu schwingen. Während sie sich bewegen, emittieren die Elektronen Licht, das zu einem intensiven, kohärenten Laserstrahl wird – oft im ultravioletten oder Röntgenbereich.

Traditionell erfordert die Erzeugung solch energiereicher

Traditionell erfordert die Erzeugung solch energiereicher Elektronenstrahlen lange lineare Beschleuniger, weshalb FEL-Anlagen so groß sind. Eine vielversprechende Alternative ist der Laser-Plasma-Beschleuniger (LPA).

Anstatt von Kilometern nutzen LPAs starke Laserpulse, die in ein Plasma geschossen werden (das im Grunde eine Suppe aus geladenen Teilchen ist), um starke elektrische Felder zu erzeugen, die Elektronen in nur wenigen Zentimetern auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen können. Allerdings hatten LPAs Probleme mit Instabilitäten.

Kleine Schwankungen in der Fokussierung, Energie oder Pulsdauer des Lasers können dazu führen, dass der Elektronenstrahl von einem Schuss zum nächsten variiert. Dieser Lärm macht es nahezu unmöglich, ein FEL über lange Zeiträume zuverlässig zu betreiben, was für reale Anwendungen unerlässlich ist.

„LPAs stehen vor inhärenten Herausforderungen hinsichtlich

„LPAs stehen vor inhärenten Herausforderungen hinsichtlich der Stabilität von Schuss zu Schuss, insbesondere im Kontext der strengen Toleranzanforderungen von FELs“, erklärten die Studienautoren.

Echtzeitsteuerung und ein „Geisterstrahl“ Um das oben erwähnte Problem zu überwinden, fügte das Forschungsteam fünf aktive Stabilisierungssysteme zu seinem Aufbau im BELLA center des Berkeley Lab hinzu.

Diese Systeme überwachten und korrigierten kontinuierlich Schlüsselparameter des Lasers in Echtzeit, darunter dessen Fokussierungspunkt, die mitgeführte Energie und die Dauer jedes Impulses. Sie führten auch eine clevere Ergänzung ein: einen Niedrigleistungs-Geisterstrahl.

Dies war im Wesentlichen eine Kopie

Dies war im Wesentlichen eine Kopie des Hauptlaserstrahls, die als empfindlicher Sensor verwendet wurde, um winzige Fluktuationen zu erkennen, die das Hauptsystem nicht leicht sehen konnte. Durch die Verfolgung dieser subtilen Veränderungen konnte das System schnelle Anpassungen vornehmen und alles stabil halten.

Mit all diesen zusammenwirkenden Verbesserungen erzeugte die Anlage einen stetigen Strom von Elektronenpaketen mit 100 MeV, die 1.000 Mal pro Sekunde feuerten.

Dieser stabile Strahl versorgte erfolgreich einen FEL für über acht Stunden kontinuierlich und erzeugte Licht mit einer Wellenlänge von 420 Nanometern – innerhalb des sichtbaren Bereichs.

„Die LPA-Quelle lieferte 100 MeV Elektronenstrahlen

„Die LPA-Quelle lieferte 100 MeV Elektronenstrahlen mit 1 Hz bei hoher Stabilität über mehr als 10 Stunden und ermöglichte über 8 Stunden kontinuierlichen FEL-Betrieb ohne Eingriff des Bedieners“, sagten die Studienautoren. Der Weg zu frei verfügbaren Lasern Dieses Ergebnis markiert einen wichtigen Wendepunkt.

Wenn kompakte Systeme wie LPAs FELs zuverlässig antreiben können, könnte die Technologie weitaus erschwinglicher und breiter verfügbar werden.

Dies würde Türen für neue Anwendungen öffnen, von der fortgeschrittenen Bildgebung und Materialwissenschaft bis hin zur medizinischen Forschung und industriellen Prüfung.

Allerdings ist die Arbeit noch nicht

Allerdings ist die Arbeit noch nicht abgeschlossen. Das aktuelle System arbeitet bei relativ moderaten Energien und erzeugt sichtbares Licht.

Um das volle Potenzial von FELs, insbesondere im Röntgenbereich, auszuschöpfen, zielt das Team darauf ab, auf 500 MeV hochzuskalieren. Auf diesem Niveau könnte der Laser Licht zwischen 20 und 30 Nanometern erzeugen und sich dem ultraviolett-Röntgen-Grenzbereich nähern, in dem viele Anwendungen mit hohem Einflussbereich liegen.

Obwohl noch technische Herausforderungen vor uns liegen, insbesondere bei der Aufrechterhaltung der Stabilität bei höheren Energien, zeigt die aktuelle Studie, dass das Kernproblem (die Aufrechterhaltung eines stabilen und konsistenten Elektronenstrahls über lange Zeiträume) gelöst werden kann.

Wenn auch die nächsten Schritte erfolgreich sind, müssen freie Elektronenlaser möglicherweise nicht länger auf riesige Anlagen beschränkt bleiben. Die Studie wurde im Journal Physical Review Accelerators and Beams veröffentlicht.