Nas instalações de aceleradores de partículas em todo o mundo, os cientistas contam com poderosos raios-X para revelar a estrutura e o comportamento de átomos e moléculas. Agora, pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia calcularam como tornar os pulsos de raios X em lasers de elétrons livres de raios X (XFEL) ainda mais brilhantes e confiáveis, construindo uma câmara de cavidade especial e espelhos de diamante em torno de um XFEL.

“Queremos tornar nossos XFELs mais parecidos com lasers”, disse Zhirong Huang, um SLAC e professor de ciência de fótons de Stanford. “Estamos procurando uma maneira de fazer isso há décadas e, com nossos novos cálculos, demonstramos que esse sonho pode se tornar realidade.”

Em XFELs como Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC , a potência de pulsos de raios X individuais varia de pulso para pulso. O resultado são raios de luz temporalmente incoerentes – menos lasers semelhantes a lasers – que são mais difíceis para os cientistas usarem para concluir experimentos porque são menos previsíveis. 

Em um novo estudo, detalhado este mês na Physical Review Letters , os pesquisadores mostram como gerar pulsos de raios X coerentes usando uma intrincada cavidade de cristal e um sistema de espelho – e sem a necessidade de uma cavidade extraordinariamente longa e complicada.

“A motivação para gerar raios-X coerentes e de alto brilho é estudar materiais do mundo real e o que acontece com esses materiais sob diferentes condições”, disse Jingyi Tang, cientista do SLAC e coautor do artigo. “Queremos estudar sistemas mais dinâmicos e difíceis de capturar.”

A ideia de capturar raios-X usando espelhos pode parecer impossível à primeira vista. Mas em um acelerador de alta taxa de repetição como o LCLS-II , essa ideia pode ser possível – se você tiver o equipamento de armazenamento certo e uma boa imaginação.

Os pesquisadores estudaram o que é chamado de laser de elétrons livres de raios-X baseado em cavidade (CBXFEL). Nesse projeto, uma estrutura de cavidade – talvez com centenas de metros ou até mais de um quilômetro de comprimento – captura pulsos de raios X incoerentes que foram gerados em uma instalação de aceleração, como a do SLAC. 

Dentro da cavidade, os raios-X saltam de quatro espelhos de diamante, que enviam os pulsos de raios-X em voltas retangulares. Enquanto os pulsos circulam dentro da cavidade, o próximo feixe de elétrons dentro do acelerador viaja em direção a eles. Quando o feixe chega, o pulso de raio X saltitante interage com o feixe de elétrons, apertando-o e organizando-o. Quando balançado em um dispositivo chamado ondulador, esse feixe de elétrons mais compacto produzirá raios-X mais coerentes e brilhantes mais abaixo no acelerador.

Antes de seus novos cálculos, os pesquisadores pensavam que manter o poder de um pulso de raios-X enquanto ele ricocheteava em torno da cavidade poderia exigir feixes de elétrons espaçados ou uma cavidade de quilômetros de comprimento, tornando a ideia muito mais difícil de implementar. 

“Mostramos que um sistema de cavidades de alta qualidade pode precisar ter apenas 100-300 metros de comprimento, mesmo com um poderoso XFEL operando em uma taxa de repetição mais lenta, o que significa mais espaço entre os feixes de elétrons”, disse Zhen Zhang, cientista e coautor do SLAC. .

A chave para esse novo design é controlar o que os pesquisadores chamam de fator de qualidade da cavidade, Q. O fator de qualidade representa a refletividade dos espelhos na cavidade. Um alto valor de Q significa refletividade muito alta, o que permite que a potência dos raios X recircule na cavidade com pouca perda. Um valor Q mais baixo significa menor refletividade, o que significa que uma quantidade significativa de raios-X deixa a cavidade e é transmitida pelo acelerador.

Quando os raios X são recirculados em uma cavidade mais curta sem nenhuma interação com o feixe de elétrons, o Q é mantido muito alto. Quando esses raios-X interagem com um feixe de elétrons recebidos, os pesquisadores podem controlar com precisão o comprimento de onda e o espectro de raios-X amplificados para alterar a cavidade Q - chamada Q-switching. Isso significa que eles podem diminuir o valor Q quando os raios-X tiverem potência suficiente – ou seja, quando os raios-X estiverem prontos para deixar a cavidade e viajar pelo acelerador para os experimentos. 

Ao controlar Q, os pesquisadores podem dar ao pulso de raios-X coerente sua vez de recircular várias vezes ao redor da cavidade e do sistema de espelhos. Essa capacidade dos pulsos de raios-X coerentes agora viajarem pelo sistema com pouca perda dá aos pulsos mais tempo para acumular energia, encurtando assim o comprimento necessário da cavidade e criando raios-X com alta potência de saída. 

No próximo ano, cientistas e engenheiros do SLAC, em colaboração com o Argonne National Laboratory e outras instituições, estão trabalhando na construção de uma cavidade de teste no LCLS do SLAC. Os objetivos iniciais do experimento são demonstrar o aumento de potência após o raio X ser recirculado pela cavidade e observar o desempenho da cavidade. O Q-switching também pode ser testado em um sistema CBXFEL assim que os objetivos iniciais do experimento forem alcançados, disseram os pesquisadores.

Este projeto foi apoiado em parte pelo Office of Science do DOE.

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