[논문 리뷰] Attosecond betatron radiation pulse train

Vojtěch Horný, M. Krůs외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 10.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 60인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 상대론적 전자 빔을 공진하는 레이저 펄스로 조절함으로써 레이저-플라즈마 가속기에서 피코초 이하의 X선 펄스 열을 생성하는 방법을 제안한다. 조절 과정은 등간격으로 분포한 전자 서브 빔을 형성하며, 이들이 베타트론 복사를 방출함으로써 반복 주기가 조절 가능한 펄스 열을 생성한다. 이는 소형이고 테이블탑 구조에서 약트세컨드 수준의 시간 해상도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초고속 과학을 위한 고광도, 피코초 이하의 X선 펄스를 소형, 테이블탑 구조에서 생성하는 것.
• 기존의 베타트론 소스는 일반적으로 몇 피코초 정도이므로, 시간 해상도의 한계를 극복하는 것.
• 정확히 시간이 조절된 X선 펄스 열을 생성함으로써 물질 내 초고속 과정의 스트로보스코픽 샘플링을 가능하게 하는 것.
• 잘 제어된 레이저 구동 조절 방식을 사용하여 펄스 간격을 조절하고 시간 해상도를 향상시키는 것.
• 현재의 레이저 및 플라즈마 기술로 실현 가능함을 입증하여 생물학, 재료 과학, 화학 분야에서 실용적 응용을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 낮은 밀도 플라즈마에서 중간 강도의 선형 편광 레이저 펄스를 이용해 레이저-플라즈마 웨이브필드를 유도하여 버블 형태의 구조를 형성한다.
• 뒤쪽에 상대론적 전자 빔을 주입함으로써 베타트론 진동을 겪고 X선 복사를 방출한다.
• 더 약한, 지연된 조절 레이저 펄스를 전자 빔과 함께 공진하게 하여 전자 분포에 주기적인 밀도 조절을 유도한다.
• 조절 레이저의 파장이 전자 서브 빔 간의 간격을 결정하며, 간격은 조절 레이저 파장의 반으로 분리된다.
• 서브 빔은 짧고 간섭 가능한 베타트론 복사를 방출하여 등간격의 X선 펄스 열을 형성한다.
• 전체 과정을 입자-장점법(PIC) 시뮬레이션을 통해 모델링하여 전자 운동, 복사 방출 및 펄스 열 특성 등을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 레이저 조절을 통한 전자 빔 분할이 베타트론 소스에서 피코초 이하의 X선 펄스 열을 생성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템에서 달성 가능한 시간 해상도와 펄스 간격은 무엇이며, 조절 레이저가 이를 어떻게 제어하는가?
• RQ3 이러한 방식이 초고속 과정의 스트로보스코픽 샘플링을 가능하게 하면서도 높은 광자 유량과 소스 브라이트니스를 유지할 수 있는가?
• RQ4 현재의 레이저 및 플라즈마 가속기 기술로 이 설정이 실현 가능한가?
• RQ5 펄스 열의 구조가 물질 내 초고속 동역학의 탐지 가능성과 시간 해상도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 공진하는 레이저 펄스와의 상호작용을 통해 전자 빔이 반복 간격을 가지는 등간격 서브 빔으로 성공적으로 조절되었으며, 간격은 조절 레이저 파장의 반에 의해 결정된다.
• 결과적으로 발생하는 베타트론 복사는 조절 레이저 주기와 동일한 반복 주기를 가지는 X선 펄스 열을 형성하며, 피코초 이하의 시간 해상도를 가능하게 한다.
• 조절 레이저의 파장을 조절함으로써 펄스 간격을 조절할 수 있으며, X선 펄스 간의 시간 지연을 정밀하게 제어할 수 있다.
• 시뮬레이션 결과는 소스 크기가 작고 약 수 마이크로미터 수준이며 고광도를 유지함을 확인하여 고해상도 영상 촬영에 적합함을 입증한다.
• 기존의 베타트론 소스가 몇 피코초로 제한되는 것에 비해, 이 방식은 시간 해상도를 약수준 개선함으로써 근본적인 향상을 이룬다.
• 전체 실험 설정은 기존의 레이저 시스템과 플라즈마 가속기로 실현 가능하며, 자유전자 레이저와 같은 대규모 시설에 대한 실용적인 대안이 될 수 있다.