วิธีการฉีด ‘ม้าโทรจัน’ ทำให้ได้เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอกซเรย์ขนาดกะทัดรัดพิเศษ

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระของรังสีเอกซ์ (XFEL) ถูกใช้เพื่อสร้างสภาวะของสสารที่รุนแรง ทำให้เกิดการวิจัยพื้นฐานในสาขาต่างๆ เช่น วัสดุศาสตร์ การวิจัยสสารที่มีความหนาแน่นสูง และการพัฒนายา ในปัจจุบัน เลเซอร์ดังกล่าวเป็นสัตว์ร้ายที่ต้องมีการตั้งค่าระดับกิโลเมตรซึ่งมีค่าใช้จ่ายหลายพันล้าน นักวิจัยในสหราชอาณาจักรได้เสนอพิมพ์เขียวใหม่สำหรับ XFEL ย่อขนาด โดยใช้ตัวเร่งความเร็วพลาสมา 

อุปกรณ์

ที่มีขนาดเพียงไม่กี่เมตรสามารถประกาศการถือกำเนิดของ XFEL อัลตร้าคอมแพครุ่นต่อไปได้ พวกเขากล่าว “FELs ประกอบด้วยลำแสงอิเล็กตรอนแบบสัมพัทธภาพซึ่งแกว่งไปมาบนเส้นทางไซน์ภายใน ‘ลูกคลื่น’ ที่มีสนามแม่เหล็กสลับกัน” ฟาฮิม ฮาบิบ หัวหน้านักวิจัย อธิบาย “ผลจากการเคลื่อนที่

แบบกระดิก ลำแสงอิเล็กตรอนจะปล่อยโฟตอนออกมา และเอฟเฟกต์ป้อนกลับเชิงบวกจะทำให้โครงสร้างลำแสงอิเล็กตรอนกลายเป็นกลุ่มย่อยขนาดเล็กที่ความยาวคลื่นของรังสี” ผลของการรวมกลุ่มนี้คือพลังการแผ่รังสีจะเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณตามลูกคลื่นและมีความสอดคล้องกันอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม ผลการจัดระเบียบตนเองนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อลำแสงอิเล็กตรอนมีคุณภาพสูงที่พลังงานสัมพัทธภาพ คุณภาพของลำแสงสูงเช่นนี้เกิดขึ้นได้ในปัจจุบันโดยใช้ตัวเร่งความเร็วเชิงเส้น (linacs) ซึ่งทำให้ XFEL มีความยาวหลายกิโลเมตร เครื่องเร่งความเร็วแบบพลาสมาเครื่องเร่งความเร็ว

แบบพลาสมาสามารถผลิตลำแสงหลายกิกะอิเล็กตรอนโวลต์ (GeV) ในระยะทางที่สั้นกว่ามาก เพียงเซนติเมตร โดยคุณภาพของลำแสงใกล้เคียงกับที่จำเป็นสำหรับ XFEL ตอนนี้ Habib และเพื่อนร่วมงานได้แสดงให้เห็นว่าลำแสงอิเล็กตรอนจากโฟโตแคโทดในพลาสมาอาจสว่างกว่าลำแสงที่ผลิต

และสามารถผลิตได้ใน PWFA เครื่องเร่งความเร็ว ทำงานโดยการยิงลำแสงหนาแน่นของอนุภาคมีประจุ เช่น อิเล็กตรอน เข้าไปในพลาสมาที่อยู่นิ่ง (โดยหลักแล้วคือก๊าซของอนุภาคที่แตกตัวเป็นไอออน) ลำแสงอิเล็กตรอนจะแยกประจุลบ (อิเล็กตรอน) ออกจากไอออนพื้นหลังที่อยู่นิ่งในเป้าหมาย 

ทำให้เกิด

คลื่นพลาสมาลากสั้นๆ สนามไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับคลื่นพลาสมานี้จะเร่งอนุภาคที่มีประจุที่วิ่งตามคลื่น ซึ่งเป็นที่มาของคำว่าเวคฟิลด์ หากกลุ่มอนุภาคที่มีประจุตามหลังถูกตั้งเวลาอย่างเหมาะสม มันสามารถโต้คลื่นนี้และถูกเร่งให้สูงชัน  เป็นพลังงานจลน์ของ GeV ในระยะทางเพียงไม่กี่เซนติเมตร 

ถึงกระนั้น คุณภาพของลำแสงก็ยังห่างไกลจากที่จำเป็นสำหรับ XFEL PWFA ขั้นสูงที่พัฒนาโดย Habib และเพื่อนร่วมงานติดตั้งวิธีการฉีดอิเล็กตรอนแบบใหม่ที่เรียกว่าพลาสมาโฟโตแคโทด (หรือที่รู้จักในชื่อ “ม้าโทรจัน”) และสามารถผลิตลำแสงอิเล็กตรอนที่สว่างกว่าแบบลิแนกถึง 100,000 เท่า 

เนื่องจากการกระจายโมเมนตัมของลำแสงต่ำ ระบบทั้งหมดมีขนาดเพียงไม่กี่เมตรในงานของพวกเขา ซึ่งมีรายละเอียดอยู่นักวิจัยได้ศึกษาวิธีการสกัด ขนส่ง แยก และฉีดลำแสงอิเล็กตรอนความสว่างสูงพิเศษจากพลาสมาโฟโตแคโทด PWFA เข้าไปในลูกคลื่นโดยไม่มีประจุและสูญเสียคุณภาพ อธิบาย 

“ลำแสงอิเล็กตรอนคุณภาพสูงพิเศษที่โฟกัสไปที่ลูกคลื่น จะสร้างพัลส์โฟตอนที่สัมพันธ์กันอันทรงพลังที่ความยาวคลื่นอังสตรอมในทันทีด้วยระยะเวลาพัลส์ที่ระดับ “ส่วนที่น่าสนใจคือระบบทั้งหมดมีขนาดเพียงไม่กี่เมตรเมื่อเทียบกับเครื่อง XFEL ขนาดกิโลเมตรที่ล้ำสมัย” “หลักฐานการทดลองครั้งแรก

สำหรับการฉีดพลาสมาโฟโตแคโทดใน PWFA ได้รับจากความร่วมมือ กับม้าโทรจัน ของเราที่โรงงาน ของพันธมิตรเชิงกลยุทธ์ในสแตนฟอร์ด” หัวหน้าทีมกล่าวเสริม “ตอนนี้ ด้วยโปรแกรมของเราที่โรงงานที่รับช่วงต่อ นั่นคือเราตั้งเป้าที่จะใช้ประโยชน์จากศักยภาพที่แท้จริงของโครงการในแง่ของคุณภาพ

ที่กำหนดก่อน

ที่จะสามารถรวมเข้าด้วยกันเพื่อลดข้อผิดพลาดโดยรวม งานในอนาคตอาจเกี่ยวข้องกับการใช้ เช่นที่แนะนำในงานนี้ สำหรับเทคนิคเหล่านี้ แม้ว่า จะตั้งข้อสังเกตว่าสิ่งนี้ “ต้องใช้เวลา”ลำแสงและความเสถียร” อย่างไรก็ตาม ยังไม่เป็นที่แน่ชัดว่าการทดสอบสนับสนุนโมเดลเชลล์จริงหรือไม่ 

หรือแนวทางแต่ละวิธีสามารถนำไปใช้ได้ดีที่สุด การวิจัยอย่างกว้างขวาง เกี่ยวกับนิวเคลียสต่างๆ ช่วยแก้ไขปัญหาเหล่านี้ งานของเธอมีความสำคัญในการพัฒนาทฤษฎีที่เชื่อมโยงทั้งสองแนวทางเข้าด้วยกันในที่สุด ซึ่งทำให้ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันในปี 1975

ในปี 1950 วัดพลังงานของนิวเคลียสที่ถูกกระตุ้นเทียบกับจำนวนนิวตรอน และแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างของเปลือกมีอิทธิพลต่อพลังงาน ซึ่งมีค่าสูงสุดที่เลขมหัศจรรย์ เธอยังสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงที่ผิดปกติของระดับพลังงานด้วยจำนวนนิวตรอนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเธอเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง

นอกจากผลงานของเธอในทฤษฎีนิวเคลียร์แล้ว งานวิจัยของ ในยุคนี้ก็มีลักษณะที่ไม่ธรรมดา เธอเขียนเอกสาร 2 ฉบับเกี่ยวกับแบบจำลอง VMI ร่วมกับอัลเฟรด ลูกชายของเธอ – เท่าที่ทราบ เท่าที่ทราบ เอกสารการวิจัยแม่ลูกเพียงฉบับเดียวในวิชาฟิสิกส์เธอยังปรับปรุงการวิเคราะห์ข้อมูลของเธอ

ด้วยการขยายแผนภูมินิวไคลด์มาตรฐาน ซึ่งแต่ละนิวเคลียสจะถูกวางไว้ในแผนภาพสองมิติของจำนวนโปรตอนเทียบกับจำนวนนิวตรอน ติดกาวแท่งแนวตั้งที่มีความยาวเป็นสัดส่วนกับพลังงานกระตุ้นต่ำสุดสำหรับนิวเคลียร์แต่ละชนิดไปยังตำแหน่งที่เหมาะสมบนแผนภูมิ ก่อนการใช้การแสดงภาพด้วย

คอมพิวเตอร์ 3 มิติเป็นประจำ นี่เป็นความช่วยเหลืออย่างมากในการระบุคุณลักษณะที่สำคัญ เช่น การเปลี่ยนแปลงพลังงานระหว่างN = 88 และN = 90 ของนิวเคลียส ต่อมาเธอได้พัฒนาแบบจำลอง ” โมเมนต์ความเฉื่อยแปรผัน ” (VMI) ของเธอเองซึ่งใช้รูปร่างของนิวเคลียสเพื่อให้ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับพลังงานของพวกมันในตารางธาตุ