[論文レビュー] Attosecond betatron radiation pulse train

Vojtěch Horný, M. Krůs+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2020

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 60被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、相対論的電子ビームを共進路のレーザー脈動で変調することで、レーザー・プラズマ加速器を用いて、1フェムトセカンド未塔のX線パルス列を生成する手法を提案している。変調により等間隔に配置された電子サブビームが形成され、ベータトロン放射を発生させることで、パルス間隔が変調レーザーの波長で調整可能なパルス列が得られ、コンactなテーブルトップ装置でアトセカンドレベルの時間分解能を達成する。

ABSTRACT

High-intensity X-ray sources are essential diagnostic tools for science, technology and medicine. Such X-ray sources can be produced in laser-plasma accelerators, where electrons emit short-wavelength radiation due to their betatron oscillations in the plasma wake of a laser pulse. Contemporary available betatron radiation X-ray sources can deliver a collimated X-ray pulse of duration on the order of several femtoseconds from a source size of the order of several micrometres. In this paper we demonstrate, through particle-in-cell simulations, that the temporal resolution of such a source can be enhanced by an order of magnitude by a spatial modulation of the emitting relativistic electron bunch. The modulation is achieved by the interaction of the that electron bunch with a co-propagating laser beam which results in the generation of a train of equidistant sub-femtosecond X-ray pulses. The distance between the single pulses of a train is tuned by the wavelength of the modulation laser pulse. The modelled experimental setup is achievable with current technologies. Potential applications include stroboscopic sampling of ultrafast fundamental processes.

研究の動機と目的

• 超高速科学のための高輝度・1フェムトセカンド未塔のX線パルスのコンactでテーブルトップのソースを開発すること。
• 現在のベータトロンソースが通常数フェムトセカンドであるため、時間分解能の限界を克服すること。
• 正確にタイミング合わせられたX線パルス列を生成することで、物質内の超高速プロセスのステロスコピックサンプリングを可能にすること。
• 制御されたレーザー駆動変調方式を用いて、調整可能なパルス間隔と向上した時間分解能を実現すること。
• 現在のレーザーおよびプラズマ加速技術で実現可能であることを示し、生物学、材料科学、化学分野における実用的応用を可能にすること。

提案手法

• 中程度の強度で線形偏光のレーザー脈動を用いて、密度が低いプラズマ内のレーザー・プラズマウェーブフィールドを駆動し、バブル構造を形成する。
• 相対論的電子ビームをバブルの後端に注入し、ベータトロン振動を経てX線放射を発生させる。
• 電子ビームと共進路に、弱く遅延した変調レーザー脈動を導入し、電子分布に周期的な密度変調を引き起こす。
• 変調レーザーの波長が電子サブビーム間の間隔を決定し、サブビームは変調波長の半分の間隔で分離される。
• サブビームは短くコherentなベータトロン放射のバーストを発生させ、等間隔に配置されたX線パルス列を形成する。
• 粒子-セルフコンシステント（PIC）法を用いて、電子の運動、放射放出、パルス列特性の全過程をシミュレーションする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部レーザー変調による電子ビームのビーム化が、ベータトロンソースから1フェムトセカンド未塔のX線パルス列を生成できるか？
• RQ2 このようなシステムにおける達成可能な時間分解能とパルス間隔は何か？また、変調レーザーがそれらをどのように制御するか？
• RQ3 この方式は、超高速プロセスのステロスコピックサンプリングを可能にする一方で、高い光子フラックスとソース輝度を維持できるか？
• RQ4 この提案された構成は、現在のレーザーおよびプラズマ加速器技術で実現可能か？
• RQ5 パルス列構造が、物質内の超高速ダイナミクスの検出可能性および時間分解能にどのように影響するか？

主な発見

• 共進路のレーザー脈動との相互作用により、電子ビームが変調され、変調波長の半分に相当する間隔で等間隔のサブビーム列が形成された。
• 得られたベータトロン放射は、変調レーザー周期と等しい繰り返し周期を持つX線パルス列を形成し、1フェムトセカンド未塔の時間分解能を実現した。
• 変調レーザーの波長を調整することで、X線パルス間の時間遅延を精密に制御可能である。
• シミュレーション結果から、ソースサイズは約数マイクロメートルであり、高輝度を維持しており、高分解能イメージングに適していることが確認された。
• 従来のベータトロンソースが数フェムトセカンドに制限されるのに対し、本方式では時間分解能が1桁向上した。
• 全実験装置は、現在のレーザーシステムおよびプラズマ加速器で実現可能であり、自由電子レーザーなどの大規模施設の代替として実用的である。