Στενό περίβλημα ακτίνων Χ με στενή ζώνη με ιόντα υψηλής φόρτισης

Αφηρημένη Προτείνεται ένα σχέδιο για τη δημιουργία πλήρως συνεκτικών λέιζερ ακτίνων Χ με βάση την αναστροφή του πληθυσμού σε πολύ φορτισμένα ιόντα, που δημιουργήθηκε με γρήγορη φωτονικοποίηση εσωτερικού κελύφους χρησιμοποιώντας παλμούς ευρυζωνικών ακτίνων Χ ελεύθερων ηλεκτρονίων-λέιζερ (XFEL) σε πλάσμα που παράγεται με λέιζερ. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις που βασίζονται στη θεωρία Maxwell – Bloch δείχνουν ότι κάποιος μπορεί να λάβει παλμούς ακτίνων Χ υψηλής έντασης, femtosecond σχετικών εύρους ζώνης Δ ω / ω  = 10 −5 –10 −7, με τάξεις μεγέθους μικρότερες από ό, τι στους παλμούς ακτίνων Χ ελεύθερου ηλεκτρονίου-λέιζερ για διακριτά μήκη κύματος έως το καθεστώς sub-ångström. Τέτοια λέιζερ ακτίνων Χ μπορούν να εφαρμοστούν στη μελέτη κβαντικών οπτικών και μετρολογικών ακτίνων Χ, διερεύνησης μη γραμμικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ ακτίνων Χ και ύλης ή σε μελέτες φασματοσκοπίας υψηλής ακρίβειας σε εργαστηριακές αστροφυσικές. Εισαγωγή Οι περισσότερες εγκαταστάσεις ακτίνων Χ με λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρονίου (XFEL) σε λειτουργία ή υπό κατασκευή παράγουν σκληρούς παλμούς ακτίνων-x με βάση τη διαδικασία αυτο-ενισχυμένης αυτόματης εκπομπής (SASE). Παρά το ευρύ (Δ ω / ω  ~ 10 −3 ) και το χαοτικό φάσμα 1 , τέτοιοι παλμοί ακτίνων Χ υψηλής έντασης, εγκάρσια συνεκτικοί έχουν βρει διαφορετικές εφαρμογές στη φυσική, τη χημεία και τη βιολογία 2 , 3 , 4 . Ωστόσο, τρέχουσες και μελλοντικές έρευνες για κβαντικές οπτικές ακτίνες Χ 5 , 6 , 7 , μη γραμμική σκέδαση ακτίνων Χ 8 , φασματοσκοπία ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης 9 , 10, διασκορπισμένα με συχνότητα ακτίνες Χ 11 , 12 και συνεκτικά πειράματα αντλίας ακτίνων Χ 13 , 14 , 15 απαιτούν επίσης μια διαμήκως συνεκτική πηγή ακτίνων Χ με στενότερο και ομαλό φάσμα. Επομένως, έχουν καταβληθεί σημαντικές προσπάθειες για τη δημιουργία παλμών ακτίνων Χ με καλύτερη χρονική συνοχή και χαμηλότερο εύρος ζώνης 5 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 . Διαφορετικά σχέδια σποράς έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία στις εγκαταστάσεις 16 , 17 , 18 , 19 , 20 του XFEL . Στο καθεστώς σκληρών ακτίνων-x, ο μηχανισμός αυτο-σποράς έχει μειώσει το σχετικό εύρος ζώνης στο επίπεδο των 5 × 10 −5 σε ενέργειες φωτονίων 8-9 keV (αναφ. 17 ). Ωστόσο, σε υψηλότερες ενέργειες περίπου 30 keV, το προβλεπόμενο σχετικό εύρος ζώνης για τους σπόρους XFELs είναι περίπου 4 × 10 −4  (αναφ. 1). Έχει επίσης προταθεί περαιτέρω μείωση του εύρους ζώνης με ταλαντωτές XFEL χαμηλού κέρδους (XFELOs). Ανακυκλοφορώντας τους παλμούς ακτίνων Χ μέσω ενός κυματοειδούς κυματοειδούς κυματοειδούς, οι ακτίνες Χ εξόδου έχουν εκτιμώμενο σχετικό εύρος ζώνης τόσο μικρότερο από 10 −7  (αναφ. 5 , 21 ). Μέχρι σήμερα, ωστόσο, το σχήμα XFELO παραμένει μη δοκιμασμένο. Τα λέιζερ ακτίνων Χ (XRL) που υιοθετούν ατομικές μεταβάσεις παρέχουν μια εναλλακτική προσέγγιση έναντι πηγών ακτίνων Χ με υψηλή φωτεινότητα και χρονική συνοχή 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 . Τα XRL με βάση το πλάσμα έχουν επιτύχει κορεσμένη ενίσχυση για διαφορετικά μήκη κύματος στο σύστημα μαλακών ακτίνων Χ. Αυτά τα μαλακά-XRL βασίζονται κυρίως στα 3 p  → 3 s ή 4 d  → 4 pμεταβάσεις σε Ne- ή Ni-like πολύ φορτισμένα ιόντα (HCIs) για στοιχεία που κυμαίνονται από Si έως Au, όπου η αναστροφή του πληθυσμού επιτυγχάνεται μέσω διέγερσης ηλεκτρονίων σε θερμό πυκνό πλάσμα με μήκη από μερικά εκατοστά έως δεκάδες εκατοστά 26 , 27 , 28 . Χρησιμοποιώντας ένα σπορά ή ένα διαφορετικό σχήμα άντλησης 28 , έχει επιτευχθεί κορεσμένο μαλακό περίβλημα ακτίνων-Χ από πλάσμα υψηλής απόδοσης χιλιοστόμετρου. Το πρώτο σκληρό-XRL προτάθηκε αρχικά μέσω άμεσης άντλησης της μετάβασης 1 s −1  → 2 p −1 μέσω φωτοιονισμού ενός ηλεκτρονίου K-shell 29. Περιορισμένος από την υψηλή ισχύ της αντλίας, αυτό το σχέδιο επιδείχθηκε μόνο τα τελευταία χρόνια μετά τη διάθεση των XFEL. Ως αποτέλεσμα της υψηλής απόδοσης άντλησης XFEL, επιτεύχθηκε ένα XRL στα 846 eV με κορεσμένη ένταση σε αέριο νέον μήκους 2,8 mm 22 , με εκτιμώμενο κλασματικό εύρος ζώνης 3 × 10 −4 λόγω της γρήγορης διάσπασης του Auger του ανώτερη κατάσταση επένδυσης. Σε ένα πείραμα με στερεό χαλκό, ένα XRL με ένταση υπο-κορεσμού σε ενέργεια φωτονίου 8 keV παράχθηκε 23 , με μετρημένο σχετικό εύρος ζώνης 2 × 10 −4 . Μείωση του εύρους ζώνης κατά άλλη τάξη μεγέθους μέσω της μακράς διαρκείας 2 p  → 1 s διπολική μετάβαση στο Ne 9+που δημιουργήθηκε από τον παλμό αντλίας XFEL συζητήθηκε επίσης 30 , αλλά καθίσταται αναποτελεσματικό για βαρύτερα ιόντα με ενέργειες μετάβασης μεγαλύτερες από 10 keV. Για παράδειγμα, ο αυθόρμητος ρυθμός εκπομπής της μετάβασης ηλεκτρικού διπόλου 2 p → 1 s , κλιμάκωση ως Z 4 (με το Z τον ατομικό αριθμό), είναι περίπου 1/160 fs −1 για το Ne 9+ με ενέργεια μετάβασης 1,022 keV , και γίνεται 1 / 1,7 fs −1 για Ga 30+ με ενέργεια μετάβασης 10 keV. Απαιτούνται επομένως εναλλακτικά σχήματα για την απόκτηση XRL στενής ζώνης σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες φωτονίων, π.χ., βαθιά στο σύστημα ακτίνων Χ.
Εδώ παρουσιάζουμε ένα XRL με βάση το πλάσμα που βασίζεται στη μετάβαση 1 s 2 l  → 1 s 2 ( l  =  s , p ) σε HCI τύπου He και αντλείται από παλμό XFEL (Εικ. 1 ). Το επιβλαβές κανάλι Auger-αποσύνθεσης δεν υπάρχει λόγω της έλλειψης ηλεκτρονίων εξωτερικού κελύφους. Επιλέγοντας μια μετάβαση χωρίς δίπολο το λέιζερ που αποσυντίθεται αργά, αυτό επιτρέπει την κορεσμένη επένδυση για ενέργειες φωτονίων πάνω από 10 keV και οδηγεί σε περαιτέρω μείωση του εύρους ζώνης XRL κατά αρκετές τάξεις μεγέθους. Τέτοια συνεκτικά XRL θα επιτρέψουν εφαρμογές στον αναπτυσσόμενο τομέα των κβαντικών οπτικών ακτίνων Χ 5 , 6 , 7 , 31, 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 και μετρολογία 9 , 10 , εκτός από τις έρευνες για μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ακτίνων Χ και ύλης 8 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44 και υψηλής μελέτες φασματοσκοπίας ακριβείας στην εργαστηριακή αστροφυσική 45 , 46 . Φιγούρα