電子ビームの3Dスキャナとしての金属箔

September, 12, 2024, Dresden--HZDR-Teamがレーザプラズマ加速器の新たな診断ツールを発表した。
レーザプラズマ加速器は、数キロメートルの長さになることもある従来の施設よりもスペースを取らないため、非常に有望な研究ツールと見なされている。このようなコンパクトな粒子源は、電子バンチを効率的に加速することができ、大学の地下室に収まるX線レーザを可能になる。しかし、UV光やX線光を生成するためには、レーザプラズマ加速器によって生成された電子バンチが非常に細かく束ねられ、明確な特性を持つ必要がある。これまで、これらの束を正確に測定することさえ困難だった。現在、ヘルムホルツ・ツェントルム・ドレスデン・ロッセンドルフ(HZDR)のチームは、レーザプラズマ加速の開発を促進する新しい測定方法を開発した。これは、Nature Photonics誌(DOI:10.1038/s41566-024-01475-2)で説明している。

レーザプラズマ加速では、レーザが強い光パルスをガスに発射する。パルスは非常に強いため、ガスをイオン化し、電子とイオンの混合物であるプラズマを生成する。レーザパルスが軽い電子を重いイオンよりも速く押し出すと、その背後に正に帯電した「泡」が形成される。この気泡に電子が注入されると、電磁場の強さによって電子が仮想的に前方に飛躍する可能性がある。このプロセスは数センチメートルしか必要としないが、数十メートルまたは数百メートルを測定し、電波を使用して粒子を動かす従来のセットアップと同じくらい、束ねられた電子を加速できる。

自由電子レーザ(FEL)は、最先端のレーザプラズマ加速器の興味深いアプリケーションである。ここでは、電子の束がいわゆるアンジュレータの中をほぼ光速で飛んでいく。この磁石の配列は、粒子をスラロームパスに押し込み、レーザのような強力なX線またはUVフラッシュを放出する。これにより、1秒で発生する化学反応などの非常に高速なプロセスを追跡するために利用できる。

コンパクトで費用対効果が高い
現在、ハンブルクのEuropean XFELを含む、これらの研究マシンがいくつかある。それらは従来の線形加速器に基づいており、その中には数キロメートルの長さのものもある。しかし、これまでのところ、これらの施設はまれであり、利用可能なビームタイムは限られている。レーザプラズマ加速器を基にFELを構築できれば、例えば大学の研究機関でも購入できるほどコンパクトでコストパフォーマンスの高い施設を建設することができる。したがって、この技術は、現在よりもはるかに多くの研究チームが利用できるようになる。

2021年以降、中国の上海のチーム、ローマ近郊のFrascatiのグループ、HZDRの放射線物理学研究所の物理学者Dr. Arieと共同研究するチームの3つの研究グループが、プラズマ加速器に基づくFELを実装できることを実証できた。Nature Photonics誌に掲載された説明では、関係者が開発の現状を要約し、未解決の研究課題を箇条書きにしている。「とりわけ、加速された電子バンチの品質と安定性を向上させ、バンチ内の電子エネルギーの分布を最小限に抑える必要がある」と、論文の著者の1人、Irmanは説明している。「しかし、レーザプラズマ加速器のプロセスをより正確に調査するためには、新しい診断方法を開発することも重要になる」。

電子バンチが箔を横断
ここに登場するのが新しいHZDRプロジェクトである。Irmanのチームのポスドク、Dr. Maxwell LaBergeは、科学者がわずか数マイクロメートルの非常に短い電子束を詳細に分析できる測定手順を開発した。LaBergeは、その原理を次のように説明している:「われわれは、プラズマ加速器から、ほぼ光速で、電子の束を薄い金属箔に発射する。これにより、フォイル(箔)の表面の電子が動き始める。」その結果、これらの電子は、送信アンテナのように信号を送り、センサで検出することができる。「この信号を使用して、フォイルを横切った電子バンチがどのように見えるかを正確に再構築できる」とLaBergeは語り、Coherent Optical Transition Radiation(COTR)という専門用語のプロセスについて説明している。

HZDRの専門家は、新しい測定方法を使用して、プラズマバブルに電子を注入する様々な方法を模索している。Arie Irmanは、この結果を次のように説明している:「われわれは、注入方法が異なれば、電子バンチの形態がまったく異なる形態を生成することを確認できる。これは、新しい方法が電子バンチの形状と構造をはるかに正確に制御するのに役立つことを示している。」また、高速な電子バンチの制御が上手くいけばいくほど、FELで発生する光はより明るく安定する。