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物理学家缩小X射线激光发射脉冲的频谱

时间:2018-05-15  点击: 36

升级X射线激光器 - 机械技巧可以用来缩小X射线激光器发射的脉冲光谱,例如这里所示的XFEL自由电子激光器。这将使X射线激光器可用于实验,否则将无法实现,例如测试物理常数是否真的是恒定的。 DESY,汉堡

em海德堡马克斯普朗克核物理研究所的科学家利用机械技巧找到了缩小x射线激光器发射的脉冲光谱的方法。 / em

X射线使得不可见的:它们允许材料结构的方式一直确定到单个原子的水平。在20世纪50年代,它揭示了DNA的双螺旋结构。利用新的X射线源,例如汉堡的XFEL自由电子激光器,甚至可以“电影”化学反应。从使用这些新型X射线源的研究中获得的结果可能即将变得更加精确。来自海德堡马克斯普朗克核物理研究所的Kilian Heeg周围的一个研究小组现在已经找到了一种方法,使得这些光源发射的X射线脉冲的光谱更窄。与产生单一颜色和波长的光的标准激光器相比,X射线源通常产生具有广谱不同波长的脉冲。更尖锐的脉冲可能很快驱动先前不可行的应用程序。这包括测试物理常数和测量长度和时间,甚至比目前所能达到的更精确。

研究人员使用光和其他电磁辐射来开发电子,汽车,飞机或发电厂工作中的新材料,以及生物分子如蛋白质功能的研究。电磁辐射也是观察微观和纳米范围内的化学反应和物理过程的首选工具。不同类型的光谱学使用不同的单独波长来刺激结构的特定组件中的特征振荡。哪些波长与结构相互作用 - 物理学家使用术语共振 - 告诉我们关于它们的组成以及它们是如何构造的;例如,分子中的原子如何排列在空间中。

与具有低得多的能量的可见光相比,X射线不仅可以在原子的电子壳中引起共振,而且还可以在原子核,其原子核的深处引发共振。因此X射线光谱提供了关于材料的独特知识。另外,一些原子核的共振非常尖锐,原则上允许非常精确的测量。

X射线源产生广谱的超短闪光

汉堡的XFEL自由电子激光器和PETRA III(汉堡)和ESRF(格勒诺布尔)同步辐射源等现代X射线源是进行此类研究的主要候选对象。自由电子激光尤其适用于生成非常短的X射线闪光,主要用于研究原子和分子微观世界中的快速过程。然而,超短光脉冲具有广泛的波长范围。因此,只有一小部分光在正确的波长处引起样品中的共振。其余的直通过样品,使得尖锐共振的光谱学反而效率低下。

使用滤波器可以产生非常尖锐的X射线光谱 - 即单一波长的X射线;然而,由于这涉及去除未使用的波长,因此所得到的谐振信号仍然很弱。

海德堡研究人员开发的新方法使共振信号的强度增加了三到四倍。汉堡的DESY和格勒诺布尔的ESRF的科学家们,来自Christoph Keitel分部的Kilian Heeg和JörgEvers以及海德堡马克斯普朗克核物理研究所Thomas Pfeifer周围的团队成功地制造了一些X射线辐射,通常不与样品相互作用有助于共振信号。他们已经在格勒诺布尔的ESRF和汉堡DESY的PETRA III同步加速器上成功地测试了他们的铁核方法。

一个小小的颠簸放大了辐射

研究人员放大X射线的方法是基于这样一个事实,即当X射线与铁核(或任何其他核)产生共振时,它们会在短暂延迟后重新发射。然后这些重新发射的X射线落后于经过直线穿过的那部分辐射的恰好半个波长。这意味着一个波的峰值与另一个波的波谷恰好重合,结果是它们相互抵消。这种相消干涉衰减了谐振波长处的X射线脉冲,这也是吸收光的基本原点。

“我们利用铁核重新发射X射线之前约100纳秒的时间窗,”项目负责人JörgEvers解释说。在此期间,研究人员将铁箔移动了大约40亿分之一毫米(0.4埃)。这种微小的震动具有在发射和发射的光波之间产生相长干涉的效果。 “就好像两条河流,其中一条波浪与另一条波浪相距半个波长的波浪相遇,”埃弗斯说,“并且你将这条河流中的一条河流移动了这个距离。”这有效果在河流相遇之后,两条河流上的波浪会相互移动。波峰与波峰重合,而波则放大而不是相互衰减。然而,这种技巧不仅对谐振波长的光起作用,而且还在谐振波长周围的更宽范围的波长上具有相反的效果(即衰减)。 Kilian Heeg这样说。 “我们将未使用的X射线辐射挤入共振。”

为了使物理学家能够足够快速和精确地移动铁箔,它被安装在压电晶体上。响应施加的电压该晶体膨胀或收缩。使用专门开发的计算机程序,基于海德堡的研究人员能够调整控制压电晶体的电信号,以最大限度地扩大共振信号。

应用于长度测量和原子钟

研究人员看到了他们新技术的广泛潜在应用。根据Thomas Pfeifer的说法,该程序将扩展高分辨率X射线光谱学新型高功率X射线源的实用性。这将使原子和分子发生更精确的建模。 Pfeifer还强调了该技术在计量学中的实用性,特别是高精度长度测量和时间量子力学定义。 “使用X射线,可以比使用可见光更准确地测量10,000倍的长度,”Pfeifer解释说。这可以用于研究和优化纳米结构,如计算机芯片和新开发的电池。 Pfeifer还设想了比现在基于可见光的最先进的光学原子钟精确得多的X射线原子钟。

同样重要的是,更好的X射线光谱可以使我们回答物理学的一个悬而未决的问题 - 物理常数是否真的是恒定的,或者它们是否随时间缓慢变化。如果后者是真的,那么谐振线会随着时间缓慢漂移。非常尖锐的X射线谱可以确定在相对较短的时间内是否出现这种情况。

Evers认为,一旦成熟,该技术将相对容易地融入到DESY和ESRF的实验中。 “应该有可能制作一个可以快速安装的鞋盒大小的设备,并且根据我们的计算,可以实现大约10倍的放大,”他补充道。

出版物:K.P.Heeg等人,“Spectral narrowing of x-r​​ay pulses for precision spectroscopy with nuclear resonances,”Science 28 Jul 2017:Vol。 357,Issue 6349,第375-378页; DOI:10.1126 / science.aan3512

来源:马克斯普朗克研究所

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