Freie-Elektronen-Laser (FEL) und Grenzen der Laserwellenlänge

Ich poste dies, da es für Kommentare zu lang ist und es auf dem Weg zum Gammastrahlen-FEL beginnt.

Es scheint, dass sie es bei SLAC bis zu Röntgenwellenlängen geschafft haben. Die Einrichtung heißt LCLS (Linac Coheren Light Source).

Das LCLS nutzt das letzte Drittel des zwei Meilen langen Linearbeschleunigers von SLAC, um Elektronen auf hohe Energie und durch eine Reihe von "Undulator"-Magneten zu treiben, die die Elektronen schnell hin und her lenken und einen brillanten Strahl koordinierter Röntgenstrahlen erzeugen. Beim Meilenstein der letzten Woche verwendeten LCLS-Wissenschaftler nur 12 von letztendlich 33 Undulatormagneten, um das erste Laserlicht der Anlage zu erzeugen.

Über die erzielten Operationen und Energien:

Derzeit liegt der verfügbare Photonenenergiebereich bei 480 eV bis etwa 9,5 keV. Die Photonenenergie wird durch Einstellen der Elektronenenergie des Linacs, durch Abschalten oder Hinzufügen von Klystrons eingestellt. Eine solche Energieanpassung erfordert auch, dass die Anregungsströme in den verschiedenen Ablenk- und Fokussiermagneten neu skaliert werden, um ihre Elektronenablenkwinkel und Brennweiten beizubehalten.

Aus einer Vorschau während der Bauphase:

Das LCLS bezieht seine Energie aus Elektronen, die auf dem letzten Kilometer des SLAC-Beschleunigers beschleunigt werden. Der 14-GeV-Elektronenstrahl ist so stark, dass das LCLS weniger als 0,1 % der Energie des Linearbeschleunigers benötigt, um 10 Milliarden Watt an Röntgenstrahlen zu erzeugen.

Wir sprechen von Gammas, wenn die elektromagnetische Energie MeV erreicht, Kernenergien und mehr. Wenn Sie die Links lesen, ist es keine kleine Leistung, diese harten Röntgenstrahlen erreicht zu haben. Besonders das Design der Undulatoren :

Die Undulatorlinie der Linac Coherent Light Source (LCLS) wird aus 33 Undulatorsegmenten bestehen, die durch Unterbrechungen unterschiedlicher Länge getrennt sind. Die Undulatorsegmente sind 3,4 m lange Permanentmagnet-Planar-Hybrid-Arrays mit einer Periode von 30 mm und einem Magnetspalt von 6 mm. Die maximale Außenabmessung der Vakuumkammer beträgt 5,6 mm.

und die vom Elektronenstrahl geforderten Genauigkeiten

Die Flugbahn des Elektronenstrahls muss über eine Entfernung von ~10 m bis auf wenige Mikrometer gerade sein, um eine angemessene Überlappung der Elektronen- und Photonenstrahlen zu erreichen

lässt mich abschätzen, dass es eine harte Übung sein wird, die Energien der Elektronen um den Faktor 100 zu erhöhen, um ein MeV zu erreichen. Ich werde auch vermuten, dass die 30-mm-Perioden und die 6-mm-Abstände für die Magnetarrays auch auf kleinere Maßstäbe skaliert werden würden, was ein nicht lösbares Problem darstellt, es sei denn, man verwendet ferromagnetische Kristalle, die auf spezielle Platinen oder ähnliches gedruckt sind.

Ich war fasziniert von Ihrer Frage, obwohl ich sie nicht wirklich beantwortet habe.

Ja, natürlich ist ein Gammastrahlenfel ein schwieriges Ziel, aber die Arbeit in Stanford vor einigen Jahren, die Verwendung einer kristallinen Struktur als „Wiggler“, scheint ein Ansatz zu sein. Ich denke gerne, dass der Kristall ein wenig wie ein Multicavity-Klystron wirkt, wobei jede Kristalleinheit als Resonator fungiert. Wenn dann Elektronen den Kristall durchqueren, bündeln Wechselwirkungen mit diesen Hohlräumen den Elektronenstrahl und erzeugen dabei Photonenstrahlung. Bitte verstehen Sie diese Beschreibung nicht als Rezept, sondern als vagen Hinweis auf eine Forschungsrichtung.