Dans une étape vers la création de sources de rayons X ultra-brillantes plus disponibles, une collaboration internationale dirigée par l'Université du Michigan – avec des expériences dans l'installation laser centrale du Royaume-Uni – a cartographié les aspects clés des impulsions d'électrons qui peuvent continuer à générer des impulsions de rayons X de type laser.
Ces impulsions aux rayons X ont le potentiel de faire progresser la chimie, la biologie, la science des matériaux et la physique en permettant aux chercheurs de mesurer la façon dont les molécules se comportent en détail. La technique peut également être utile en médecine clinique pour l'imagerie des tissus mous et des organes.
Parce que les impulsions sont si courtes, des quadrillions d'une seconde (Femtosecondes) longs, ils peuvent prendre des instantanés de réactions chimiques, révélant la chorégraphie des atomes et des molécules, y compris des biomolécules plus importantes telles que les protéines. Ces études sont précieuses à la fois pour la recherche fondamentale, jusqu'à la mécanique quantique et les applications de la chimie telles que la découverte de médicaments.
« Nous espérons que les accélérateurs laser-plasma pourront rétrécir XFEL à la taille d'une table et augmenter considérablement l'accès aux sources XFEL, mais un obstacle est la qualité du faisceau. Ce nouveau diagnostic indique que les faisceaux que nous produisons ont une meilleure qualité que celle précédemment », a déclaré Alec Thomas, professeur de génie nucléaire et de scigences radiologiques à UM et à un auteur correspondant de l'étude de l'étude dans l'étude dans l'étude de l'ingénierie et des sciées radiologiques à UM et à l'auteur correspondant de l'étude dans l'étude dans l'étude dans la génie nucléaire et les sciences radiologiques à UM et Autor Revue physique x.
Les impulsions d'électrons utilisées pour générer des rayons X intenses sont conventionnellement produites dans des accélérateurs qui durent des centaines de mètres de long, disponibles dans un seul laboratoire aux États-Unis et cinq autres dispersés dans le monde, selon Thomas. Mais une façon d'accélérer des électrons avec de puissantes impulsions laser pourrait rendre la technique plus accessible, en utilisant des pièces à faible coût et disponibles dans le commerce et nécessitant une empreinte de laboratoire plus petite.
La nouvelle approche exécute une impulsion laser à l'échelle de la Femtoseconde à travers un nuage de gaz. La lumière arrache des électrons des atomes du gaz, et certains de ces électrons sont tirés à la suite de l'impulsion laser, un phénomène connu sous le nom d'accélération laser Wakefield. Les caractéristiques de ce faisceau d'électrons déterminent les qualités de l'impulsion de rayons X qu'il peut produire. Par exemple, pour générer les impulsions de rayons X de type laser qui sont bonnes pour l'imagerie des tissus mous, les électrons doivent être regroupés en grappes dans l'impulsion.
L'équipe internationale a démontré une méthode pour cartographier les électrons dans le pouls, où ils se dirigent et à quelle vitesse ils se déplacent. En particulier, ils peuvent diviser le faisceau en tranches et déterminer les distributions d'énergie dans ces tranches.
« La résolution de notre méthode, dans le temps, est d'environ un Femtoseconde, qui est meilleure que les diagnostics disponibles dans les accélérateurs de radiofréquence conventionnels de pointe », a déclaré Yong Ma, chercheur adjoint en génie nucléaire et en sciences radiologiques.
L'équipe a déterminé à réaliser cette résolution à travers une expérience sur le laser Gemini à Didcot, au Royaume-Uni, le motif d'onde dans la lumière laser utilisée pour accélérer les électrons déjà empreintes sur le faisceau d'électrons, créant un motif d'onde prévisible. Cependant, l'élan de chaque électron crée des écarts par rapport au modèle attendu, et l'équipe a pu lire ces écarts pour reconstruire les qualités du faisceau d'électrons.
Ils ont mesuré le faisceau en le détournant sur un écran, séparant les électrons en fonction de l'énergie et mesurant l'angle auquel chaque électron a frappé. Cela a donné l'élan de chaque électron tout en pointant également vers son emplacement d'origine dans le faisceau. L'équipe a ensuite construit un algorithme d'apprentissage automatique qui pourrait prendre ces données et reconstruire les détails de l'impulsion d'origine.
Ces informations peuvent être utilisées pour régler les qualités des faisceaux d'électrons dans les futures installations de rayons X compactes. Pour continuer à explorer comment mesurer les faisceaux d'électrons produits par des impulsions laser, l'équipe propose une expérience à venir prévue dans les lignes de faisceau de l'infrastructure lumineuse extrême en Europe (ELI) en Tchéie, qui s'associe à l'US NSF. Ils ont également l'intention d'utiliser la nouvelle technique sur Zeus, le laser le plus puissant aux États-Unis, situé à UM.
