Nopeat elektronit surffaavat plasma-aalloilla

Erittäin lyhyille ja voimakkaille valovälähdyksille on suuri kysyntä atomien, molekyylien ja uusien materiaalien tutkimiseksi. Vapaaelektronilaserit (FEL) tuottavat näitä välähdyksiä. Mutta ympäri maailmaa laajamittaisten käyttäjien käytettävissä oleva sädeaika on niukasti ja odotusajat ovat pitkiä.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR) ja Pariisin lähellä sijaitsevan Synchrotron SOLEILin tutkijat ovat ottaneet ratkaisevan askeleen tällä polulla: he onnistuivat ensimmäistä kertaa käyttämään laser-plasma-FELiä vakaalla ja toistettavalla tavalla niin sanotussa suuren vahvistuksen tilassa – toimintatilassa, jossa syntyvän säteilyn vahvistus on erityisen suuri.

”Stabiilisuus – eli valovälähdykset, jotka säilyttävät jatkuvasti korkean laadun tuntien tai jopa päivien ajan – on erittäin tärkeää kaikissa FEL-kokeissa”, sanoo tohtori Arie Irman HZDR:n säteilyfysiikan instituutista.

Perinteiset laajamittaiset laitokset ovat saavuttaneet tämän vakauden jo kauan sitten, mutta eivät laser-plasma-FEL:iä. Nyt vuosien tutkimuksen jälkeen Irmanin tiimi on onnistunut ratkaisemaan tämän ongelman.

Periaatteessa laser-plasma-FEL toimii kuten perinteinen vapaaelektronilaser: intensiivisiä valovälähdyksiä varten tutkijat tarvitsevat aluksi korkeaenergisiä elektroneja, jotka lentävät lähes valonnopeudella. Sitten ne siirtyvät magneettiryhmään eli undulaattoriin, joka pakottaa elektronit kiemurtelevalle radalle, mikä puolestaan pakottaa elektronit muodostamaan pieniä paketteja, jotka emittoivat intensiivisiä, koherentteja valovälähdyksiä.

Tähän mennessä elektronien ajamiseksi tarvittavaan energiaan on tarvittu laajamittaisia kiihdyttimiä, joiden pituus on jopa noin kaksi kilometriä. ”Laser-plasma-FEL:ssä tätä etäisyyttä voidaan pienentää noin tuhatkertaiseksi”, sanoo tohtori Marie Labat Synchrotron SOLEIL -yrityksestä. ”Elektronit surffaavat käytännössä plasma-aallolla.” Muutaman millimetrin jälkeen ne saavuttavat energioita, joiden saavuttamiseksi perinteinen kiihdytin tarvitsee useita metrejä.

Menestyksen avain oli laserin ja plasman välisen vuorovaikutuksen tarkka hallinta. ”Onnistuimme virittämään laserin tarkasti vastaamaan plasmaa”, sanoo HZDR:n fyysikko, tohtori Susanne Schöbel.

Tämä oli kaikkea muuta kuin helppoa, koska laserin ja plasman välinen vuorovaikutus määräytyy epälineaaristen prosessien avulla, joita on vaikea hallita. ”Hyvin hallitun elektronisuihkun ansiosta pystyimme tuottamaan voimakkaita ultraviolettivalon välähdyksiä vakaalla ja toistettavalla tavalla käyttämällä undulaattoriamme.” Tämän tyypillinen piirre oli säteilytehon eksponentiaalinen kasvu, jonka tutkimusryhmä havaitsi ensimmäistä kertaa.

Tutkijoiden seuraava tavoite on äärimmäinen ultraviolettivalo (EUV). Tällaista säteilyä voitaisiin hyödyntää esimerkiksi nanorakenteisten tietokonesirujen tehokkaampaan laadunvalvontaan. Vaikka kompaktien laser-plasma-FEL-elementtien täydentäminen laajamittaisissa laitoksissa vie varmasti muutaman vuoden, kiinnostusta on jo paljon.

Aiheesta aiemmin:

Synkronivalolähteitä EUV-litografiaan

Hiukkaskiihdytin mikropiirille

Lasereita piisirulle ja hiukkaskiihdyttimiin