Les lasers à rayons X à électrons libres (XFEL) sont utilisés pour créer des conditions de matière extrêmes, permettant la recherche fondamentale dans des domaines tels que la science des matériaux, la recherche sur la matière dense chaude et le développement de médicaments. Actuellement, ces lasers sont des mastodontes, nécessitant des installations à l'échelle du kilomètre coûtant des milliards. Des chercheurs de Université de Strathclyde au Royaume-Uni ont maintenant proposé un nouveau modèle pour un XFEL miniaturisé basé sur un accélérateur de champ de sillage à plasma (PWFA). L'appareil, qui ne mesurerait que quelques mètres, pourrait annoncer l'avènement des XFEL ultracompacts de nouvelle génération, disent-ils.
"Les FEL contiennent un faisceau d'électrons relativiste se balançant sur un chemin sinusoïdal à l'intérieur d'un" onduleur "avec un champ magnétique alternatif", explique le chercheur principal Fahim Habib. "En raison du mouvement de tremblement, le faisceau d'électrons émet des éclats de photons et un effet de rétroaction positive structure le faisceau d'électrons en micro-paquets à la longueur d'onde du rayonnement."
Le résultat de ce groupage est que la puissance de rayonnement croît de manière exponentielle le long de l'onduleur et devient hautement cohérente. Cependant, cet effet d'auto-organisation ne peut se produire que si le faisceau d'électrons est de haute qualité aux énergies relativistes. Une qualité de faisceau aussi élevée est obtenue aujourd'hui à l'aide d'accélérateurs linéaires (linacs), qui font que les XFEL sont longs de plusieurs kilomètres.
Accélérateurs à base de plasma
Les accélérateurs à plasma pourraient produire de tels faisceaux multi-gigaélectronvolts (GeV) sur des distances beaucoup plus courtes, de quelques centimètres seulement, avec des qualités de faisceau proches de celles requises pour les XFEL. Habib et ses collègues ont maintenant montré que les faisceaux d'électrons des photocathodes à plasma peuvent être beaucoup plus brillants que ceux produits dans les linacs et peuvent être produits dans un PWFA.
Les accélérateurs de Wakefield fonctionnent en envoyant un faisceau dense de particules chargées comme des électrons dans un plasma stationnaire (essentiellement un gaz de particules ionisées). Le faisceau d'électrons sépare les charges négatives (électrons) des ions de fond stationnaires dans la cible, créant une courte onde plasma traînante. Le champ électrique associé à cette onde plasma accélère les particules chargées qui traînent dans son sillage, d'où le terme champ de sillage. Si un paquet traînant de particules chargées est chronométré correctement, il peut surfer sur cette onde et être fortement accéléré – jusqu'à des énergies cinétiques de GeV sur des distances de quelques centimètres seulement. Pourtant, la qualité du faisceau est loin de celle requise pour les XFEL
Le PWFA avancé développé par Habib et ses collègues est équipé d'une nouvelle méthode d'injection d'électrons appelée photocathode à plasma (alias le « cheval de Troie ») et peut produire des faisceaux d'électrons 100,000 XNUMX fois plus brillants que ceux des linacs grâce à la distribution à faible impulsion des faisceaux.
L'ensemble du système ne mesure que quelques mètres
Dans leur travail, qui est détaillé dans Communications Nature, les chercheurs ont étudié comment extraire, transporter, isoler et injecter les faisceaux d'électrons ultra-lumineux de la photocathode plasma PWFA dans un onduleur sans perte de charge ni de qualité. "Concentré dans un onduleur, le faisceau d'électrons de très haute qualité produit à la volée de puissantes impulsions de photons cohérents à des longueurs d'onde Angstrom avec une durée d'impulsion au niveau de l'attoseconde", explique Habib. "Ce qui est fascinant, c'est que l'ensemble du système ne mesure que quelques mètres par rapport aux machines XFEL ultramodernes de taille kilométrique."
Le Royaume-Uni lance les travaux de conception d'un laser à rayons X à électrons libres
« Bien qu'il y ait beaucoup de travail à faire, nos résultats sont les premiers jalons vers les XFEL ultracompacts de nouvelle génération. Notre vision est de faire évoluer cette technologie vers un outil standard pour les laboratoires de niveau universitaire ou même les hôpitaux », explique Habib. Monde de la physique.
"La première preuve expérimentale de l'injection de photocathode plasma dans les PWFA a été obtenue dans notre cheval de Troie collaboration dans l'installation SLAC FACET de notre partenaire stratégique de Stanford », ajoute le chef d'équipe Bernhard Hidding. "Maintenant, avec notre programme dans l'usine qui nous succède, SLAC FACET-II, nous visons à exploiter le véritable potentiel du système en termes de qualité et de stabilité du faisceau. »
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- La source: https://physicsworld.com/a/trojan-horse-injection-method-enables-ultracompact-x-ray-free-electron-laser/
