[논문 리뷰] An inverse free electron laser acceleration-driven Compton scattering X-ray source

I. Gadjev, Nicholas Sudar외 14명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 02.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 역자유전자 레이저(IFEL) 가속과 역컴프턴 산란(ICS)을 이용한 소형, 전광학적 X선 소스를 구현한다. 테라와트(TW)급 CO2 레이저가 두 부분으로 분할되며, 한쪽은 IFEL을 통해 전자를 84 MeV로 가속시키고, 다른 한쪽은 광학 주기자로 기능하여 최대 13 keV의 X선을 ICS로 생성한다. 이는 소형, 고광도, 위상이 일치하는 X선 펄스를 테이블탑 시스템에서 구현할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

The generation of X-rays and γ-rays based on synchrotron radiation from free electrons, emitted in magnet arrays such as undulators, forms the basis of much of modern X-ray science. This approach has the drawback of requiring very high energy, up to the multi-GeV-scale, electron beams, to obtain the required photon energy. Due to the limit in accelerating gradients in conventional particle accelerators, reaching high energy typically demands use of instruments exceeding 100's of meters in length. Compact, less costly, monochromatic X-ray sources based on very high field acceleration and very short period undulators, however, may revolutionize diverse advanced X-ray applications ranging from novel X-ray therapy techniques to active interrogation of sensitive materials, by making them accessible in cost and size. Such compactness may be obtained by an all-optical approach, which employs a laser-driven high gradient accelerator based on inverse free electron laser (IFEL), followed by a collision point for inverse Compton scattering (ICS), a scheme where a laser is used to provide undulator fields. We present an experimental proof-of-principle of this approach, where a TW-class CO2 laser pulse is split in two, with half used to accelerate a high quality electron beam up to 84 MeV through the IFEL interaction, and the other half acts as an electromagnetic undulator to generate up to 13 keV X-rays via ICS. These results demonstrate the feasibility of this scheme, which can be joined with other techniques such as laser recirculation to yield very compact, high brilliance photon sources, extending from the keV to MeV scale. Furthermore, use of the IFEL acceleration with the ICS interaction produces a train of very high intensity X-ray pulses, thus also permitting a unique tool that can be phase-locked to a laser pulse in frontier pump-probe experimental scenarios.

연구 동기 및 목표

• 다양한 기술적 인프라가 필요로 하는 기존의 기가전자볼트(geV) 수준의 가속기와는 별개로, 소형이고 비용 효율적인 X선 소스를 개발하기 위해.
• 고에너지 전자 빔과 긴 가속기 구조를 필요로 하는 전통적인 동기순환자기 방사선 소스의 한계를 극복하기 위해.
• 모든 광학 기법을 활용한 테이블탑 X선 소스를 구현하여 단색성과 고광도 X선에 광범위하게 접근 가능하게 하기 위해.
• 펌프-프로브 실험에 적합한, 레이저 드라이버와 동기화된 위상 일치 X선 펄스를 달성하기 위해.
• IFEL 가속과 ICS를 하나의 통합 광학 플랫폼에서 결합할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 테라와트(TW) 급 CO2 레이저 펄스가 두 개의 빔으로 분할되며, 하나는 역자유전자 레이저(IFEL)를 통해 전자를 84 MeV로 가속시킨다.
• IFEL 상호작용은 주기적인 구조를 이용하여 레이저의 전자기장에 의해 전자의 에너지를 변조함으로써 고기울기 가속을 가능하게 한다.
• 두 번째 레이저 빔은 이동파 광학 주기자로 기능하여 역컴프턴 산란(ICS)을 위한 주기적인 자기장을 제공한다.
• IFEL에서 가속된 전자가 광학 주기자 빔과 정면으로 충돌하여 최대 13 keV의 에너지를 가진 X선을 ICS를 통해 생성한다.
• 향후 레이저 재순환 기술을 통합하여 광자 수확율과 광도를 향상시킬 수 있도록 설계되어 있다.
• 전체 시스템은 단일 광학 플랫폼에서 작동하여 전자 빔과 X선 펄스 간의 위상 일치 동기화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RF 가속기를 사용하지 않고 IFEL 가속과 ICS를 활용한 소형 전광학적 X선 소스를 실현할 수 있는가?
• RQ2 이 IFEL-ICS 방식을 사용한 테이블탑 시스템에서 얻을 수 있는 최대 X선 광자 에너지는 얼마인가?
• RQ3 이러한 X선 펄스는 펌프-프로브 실험에 적합하도록 드라이빙 레이저와 위상 일치시킬 수 있는가?
• RQ4 이 구성에서 keV 수준의 X선을 ICS로 생성하기 위해 필요한 전자 빔의 품질과 에너지는 무엇인가?
• RQ5 레이저 재순환과 같은 추가 기술을 활용할 경우, 이 접근 방식은 더 높은 광자 에너지(예: MeV 범위)로 확장 가능한가?

주요 결과

• 테라와트(TW) 급 CO2 레이저를 사용하여 역자유전자 레이저(IFEL) 메커니즘을 통해 전자를 84 MeV로 성공적으로 가속시켰다.
• 두 번째 레이저 빔을 광학 주기자로 활용하여 역컴프턴 산란(ICS)을 통해 최대 13 keV의 X선을 생성하였다.
• X선 펄스는 드라이빙 레이저와 위상 일치시켜 펌프-프로브 실험에 정밀한 동기화를 가능하게 하였다.
• 실험은 대규모 기존 가속기를 필요로 하지 않는 소형 전광학적 X선 소스의 원리적 타당성을 입증하였다.
• 레이저 재순환과 같은 기술을 활용하여 이 접근 방식을 더 높은 광자 에너지로 확장 가능함을 검증하였다.
• 고강도 X선 펄스 열이 생성되어 재료 과학 및 초고속 물리학 분야의 시간 해상도 연구에 적합하다.