Źródła światła piątej generacji

DOI: 10.15199/13.2016.4.9 Źródła światła piątej generacji (Fifth generation light sources) prof. dr hab. inż. Ryszard S. Romaniuk Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych, Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Streszczenie Źródła światła koherentnego są jednym z podstawowych narzędzi badawczych w biologii, technice i innych dziedzinach. Synchrotronowe źródło światła składa się z kilku podstawowych części: źródła energii którym jest akcelerator wiązki elektronowej, konwertera wiązka elektronowa wiązka fotonowa którym jest undulator, oraz fotonowych linii użytkowych. Każda z tych części osobno jest skomplikowanym urządzeniem podlegającym obecnie szybkiemu rozwojowi technologicznemu. Przyszłościowe źródła światła piątej generacji bazują na zupełnie nowych rozwiązaniach wszystkich tych części podstawowych, w porównaniu ze źródłami poprzednich generacji. Źródłem energii jest nowej generacji miniaturowy akcelerator laserowo-plazmowy o polu elektrycznym rzędu setek GV/m. Miniaturowy undulator testowany jest w technologii MEMS z nowych materiałów. Klasyczne próżniowe i trudne do sterowania linie eksperymentalne i rozprowadzanie wiązki światła zmieniają swoje znaczenie w przypadku dostępności miniaturowych undulatorów umieszczonych tuż przy lub wewnątrz indywidualnej stacji eksperymentalnej. Po wstępie dotyczącym źródeł światła poprzednich generacji, artykuł pokazuje bieżące kierunki badawcze nad wymienionymi częściami składowymi źródeł światła piątej generacji. W niektórych przypadkach jest to kontynuacja i modernizacja poprzednich technologii, w większości jest to odważna próba zastosowania zupełnie nowych technologii jak akceleracji laserowo-plazmowej. Słowa kluczowe: źródła światła, promieniowanie synchrotronowe, laser na swobodnych elektronach, promieniowanie VUV, promieniowanie rentgenowskie, generacje źródeł światła, akcelerator nadprzewodzący, emitancja, elektronowe pierścienie akumulacyjne, akcelerator laserowo-plazmowy, undulator, wiggler, FEL, odwrócony FEL Abstract Coherent light sources are one of the most fundamental research tools in biology, technology and in other areas. Synchrotron light source consists of a few basic parts: energy source which is an electron beam accelerator, energy converter between electron and photon beams which is an undulator, and photon user experimental lines. Each of these parts is separately a complex system, which is currently a subject to fast technological development. Future light sources of the fifth generation are based on completely new solutions of these fundamental parts, in comparison with the sources of the previous generations. Energy source is a new generation laser plasma accelerator with electrical field in the area of multiple GV/m. A miniature undulator is tested in the MEMS technology from new materials. Classical light beam lines, vacuum, and difficult for management and beam distribution, change their meaning in the case of availability of miniature undulators positioned immediately at or even inside the experimental stations. After an introduction concerning the light sources of the previous generations, the article shows current research efforts on the mentioned key components of the fifth generation light sources. In some cases this is a continuation and modernization of the previous technologies, in the majority it is a brave endeavour to apply completely new technologies, like laser plasma acceleration. Key words: light sources, synchrotron radiation, free electron laser, VUV radiation, X-rays, light source generations, superconducting accelerator, emittance, electron accumulation rings, laser-plasma acceleration, undulator, wiggler, FEL, inverted FEL Pikometrowe i attosekundowe (inaczej mówiąc subangstremowe i subfemtosekundowe) lasery na swobodnych elektronach, które są w niedalekiej przyszłości najbardziej zaawansowanymi źródłami czwartej generacji, rewolucjonizują obrazowanie biologiczne i w inżynierii materiałowej, badając zjawiska nieliniowe, stosując metodę dwuimpulsową próbka odczyt, wchodząc w czasoprzestrzenny obszar fazowy 4D dynamiki submolekularnej i atomowej. Synchrotronowe źródła światła rozwijają się obecnie w kierunku polepszenia parametrów wiązki fotonów. Polepszenie oznacza lepsze parametry fizyczne wiązki, zarówno elektronowej jak i fotonowej, wyższą sprawność konwersji energii pomiędzy wiązkami, jak i lepszą kontrolę nad obydwoma wiązkami. Parametry i kontrola dotyczą: długości generowanej fali λ lub energii fotonów E, bezwzględnej i względnej szerokości spektralnej energii fotonów ΔE/E, czasu trwania impulsu τ, bezwzględnej lub znormalizowanej ilości fotonów w impulsie ρ, jasności wiązki, średniej mocy wiązki, mocy w impulsie, emitancji wiązki horyzontalnej i wertykalnej, rozbieżności wiązki, rozkładu mocy we wiązce, wymiarów wiązki w przekroju poprzecznym, odległości generowanej wiązki od ograniczenia dyfrakcyjnego dla danej infrastruktury, zależności parametrów wiązki elektronowej i fotonowej, możliwość przestrajania długości fali i czasu trwania impulsu optycznego, częstotliwości powtarzania impulsów optycznych, i inne. Dla twardego promieniowania rentgenowskiego budowane obecnie źródła światła są jeszcze dalekie od ograniczenia dyfrakcyjnego, i ograniczenia transformatą Fouriera, tak więc jest znaczne pole dla postępu naukowo -technicznego w tym zakresie. Postęp znaczą kolejne generacje źródeł wprowadzając nowe rozwiązania źródeł energii, konwersji energii i rozprowadzania energii. Prace nad piątą generacją miniaturowych źródeł światła bazujących na technologii laserowej, plazmowej, dielektrycznej i EM są prowadzone obecnie w kilkunastu laboratoriach na świecie jak SLAC/ UCLA, BESSY/HZB, DESY, GSI, PSI, CERN, INFN, i innych. W niektórych z tych eksperymentów pracują młodzi uczeni, doktoranci z Instytutu Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej. W cyklu artykułów w Elektronice, który niniejszą pracą kontynuujemy, na temat infrastruktur badawczych głównie budowanych obecnie w Europie podkreślano ważny udział młodych uczonych z Polski w wielkich eksperymentach klasy odkrywczej. Synchrotronowe źródła światła Synchrotronowe źródła światła promieniują fale EM w szerokim zakresie spektralnym od mikrofal, fal THz, dalekiej podczerwieni, poprzez światło widzialne, promieniowanie X 42

do promieniowania gamma. Aspirujemy do budowy nowych generacji źródeł światła synchrotronowego nie bez powodu. Obecna jest jeszcze generacja trzecia, w postaci dużych maszyn, nieco odchodząca w przeszłość oraz ciągle wschodząca i już w miarę powszechnie używana generacja czwarta. Marzeniem jest generacja piąta, przyszłościowa, nad którą coraz intensywniej pracujemy. Zmiana generacji nie jest zmianą kosmetyczną, oznacza znaczną zmianę technologii akceleracji elektronów i generacji fotonów, i/lub parametrów wiązek elektronowej/fotonowej, a szczególnie jakości wiązki elektronowej i jasności wiązki fotonowej i czasu trwania impulsów. Od piątej generacji, w sensie pełnego systemu funkcjonalnego źródła światła, jesteśmy jeszcze dość daleko, ale wiele z elementów składowych jest obecnie intensywnie rozwijanych, można więc powiedzieć że budujemy na razie generację cztery i pół. Bibliografia synchrotronowych źródeł światła poprzednich generacji jest bardzo bogata [lightsources.org], [xdb.lbl.gov], [synchrotron.org.pl], [synchrotron.uj.edu.pl], [1-5], a piątej dopiero powstaje i jest jeszcze relatywnie mniej nieliczna [6-18]. Rozwój generacji od pierwszej do czwartej dawał w rezultacie w większości przypadków powiększenie infrastruktury sprzętowej. Dobrej jakości pierścień akumulacyjny czwartej generacji, dla źródła synchrotronowego o konstrukcji klasycznej lub dla źródła FEL, ma długość ok. kilometra. Laser liniowy FEL czwartej generacji ma długość kilkaset m lub nawet kilka kilometrów dla twardego promieniowania rentgenowskiego. Urządzenia badawcze są coraz większe i droższe. Wydaje się, że w obecnym początkowym okresie rozwoju, piąta generacja odchodzi od tej tendencji i poszukuje sposobów znacznej miniaturyzacji źródła. Celów badań nad piątą generacją jest kilka i to zupełnie odmiennych. Po pierwsze, miniaturyzacja, a co za tym idzie znaczne obniżenie kosztów i popularyzacja poprzez dostępność urządzeń. Gdyby udało się skonstruować miniaturowy laser FEL piątej generacji o dobrych parametrach przestrajanej wiązki i wymiarach stołu laboratoryjnego stanowiłoby to zasadniczy przełom w zastosowaniach takich źródeł światła. Dzisiaj lasery FEL są aparaturą zupełnie unikalną, gigantycznych rozmiarów, o wielkich kosztach, o bardzo trudnym i kosztownym dostępie badawczym do wiązki. Po drugie, źródła piątej generacji mogą być stosowane jako iniektor lub booster wyjściowy dla urządzeń czwartej generacji. Miniaturowy iniektor o dużej energii wiązki elektronowej mógłby zmienić podejście projektowe do bardzo dużych źródeł światła. Podobnie, jako dodatkowy miniaturowy wzmacniacz wiązki wyjściowej, np. podwajający jej natężenie czy energię także mógłby zasadniczo zmienić projekty dużych maszyn. Po trzecie, jeśli urządzenia piątej generacji odniosłyby sukces w wersji miniaturowej, to ich budowa w znacznie większej skali, przy dobrze opanowanej technologii wykorzystania pola elektrycznego o natężeniu ponad trzy rzędy, a nawet pięć rzędów, wielkości większym od obecnego, dałaby początek zupełnie nowej generacji laserów klasy fuzyjnej i super-relatywistycznej, na pewno już szóstej generacji. Znaczne koszty źródeł światła czwartej generacji ograniczają ilość budowanych infrastruktur i linii eksperymentalnych wyłącznie do największych i najbogatszych laboratoriów. Trudny dostęp do wiązki jest często dodatkowo reglamentowany w skomplikowany sposób przy pomocy grantów, projektów większych kolaboracji, umów z właścicielami linii eksperymentalnych, itp. Wiązki intensywnego i koherentnego promieniowania X są znakomitym narzędziem badawczym w wielu dziedzinach. Można zaobserwować nacisk aby bardzo cenny dostęp do wiązki kończył się sukcesem w postaci ciekawych wyników badawczych. Takie podejście może stwarzać ryzyko dla procesu badawczego. W rezultacie tempo badań i jakość wyników mogą być obniżone. Konieczne jest nisko kosztowe powielenie ilości dostępnych do badań koherentnych wiązek rentgenowskich. Źródła światła od generacji pierwszej do trzeciej Synchrotronowe źródła światła wywodzą się z pierścieni akumulacyjnych dla wiązki elektronowej wykorzystywanej w eksperymentach wysokiej energii. Pierścienie akumulacyjne są w stanie utrzymywać cyrkulującą wiązkę przez długi okres czasu. Pierwsza i druga generacja wykorzystywała promieniowanie pochodzące z wiązki podczas jej przechodzenia przez magnesy zakrzywiające pierścienia akumulacyjnego. Różnica pomiędzy tymi umownymi generacjami źródeł polegała na tym, że początkowo w pierścieniach akumulacyjnych promieniowanie synchrotronowe, było wykorzystywane niejako przy okazji, jako zjawisko szkodliwe dla pierścieni akumulacyjnych i eksperymentów wysokiej energii. Dopiero później rozpoczęto budowę dedykowanych pierścieni akumulacyjnych dla synchrotronowych źródeł światła, rozdzielając te źródła całkowicie od fizyki wysokich energii. Od trzeciej generacji rozpoczęło się stosowanie specjalizowanych insertów magnetycznych w obszar pierścienia akumulacyjnego, w tor wiązki elektronowej. Insertami tymi są wigglery i undulatory, periodyczne układy magnesów zakrzywiających wiązkę elektronową naprzemiennie sinusoidalnie, wstawiane w tor wiązki pomiędzy magnesami zakrzywiającymi. W pierwszych rozwiązaniach inserty dawały wiązkę fotonów niekoherentną pochodzącą ze spontanicznie promieniujących, w sposób nieskorelowany, indywidualnych elektronów wiązki elektronowej. Wiązka ta jednak była znacznie jaśniejsza od tej uzyskiwanej przy pomocy magnesów zakrzywiających. Wiggler zakrzywia wiązkę silniej niż naturalny kąt emisji promieniowania synchrotronowego α=mc 2 /E, a undulator słabiej, poniżej tego kąta. Wiązka undulatorowa jest silniej skupiona w przód i posiada znacznie węższe widmo spektralne niż wigglerowa. Bieguny undulatora mogą być węższe niż wigglera, więc może być ich więcej na jednakowej długości insertów. Magnesy stałe undulatora, wskutek braku uzwojeń, można znacznie upakować na jego długości, co przy danej energii wiązki elektronowej pozwala uzyskać krótszą falę optyczną. Długość fali jest także zależna od natężenia pola magnetycznego undulatora. O potencjale aplikacyjnym źródła decyduje jakość wiązki światła. Jasność wiązki fotonowej jest mierzona w znormalizowanej liczbie fotonów [f/s/mm 2 /mrad 2 /0,1%bw]. Jasność wiązki fotonowej produkowanej przez wiązkę elektronową zależy od emitancji wiązki elektronowej. Emitancja jest iloczynem poprzecznego rozmiaru wiązki oraz rozbieżności. Emitancja horyzontalna jest określona przez energię elektronów i parametry pierścienia akumulacyjnego. Emitancja wertykalna jest znacznie mniejsza i może wynosić ułamek procenta emitancji horyzontalnej. Źródła drugiej generacji o emitancji horyzontalnej ok. 100 500 nm-rad dawały wiązkę o średniej jasności do ok. 10 16, a trzeciej generacji ok. 10 20 wskutek znacznej redukcji emitancji do poziomu 5 20 nm-rad. Ten poziom emitancji jest daleki od ograniczeń fundamentalnych. Tak więc zadaniem do uzyskania w źródłach czwartej generacji jest zejście z emitancją wiązki fotonowej do poziomu limitu dyfrakcyjnego λ/4π. To ograniczenie dyfrakcyjne obowiązuje także dla wiązki elektronowej. W źródłach trzeciej generacji z pierścieniem akumulacyjnym i wiązką o minimalnej do otrzymania emitancji 5 nm-rad można uzyskać wiązkę fotonową ograniczoną dyfrakcyjnie o długości fali 60 nm. Generacja twardego promieniowania rentgenowskiego o długości fali rzędu 6 pm wymaga zmniejszenia emitancji o trzy rzędy wielkości do poziomu 5 pm-mm. 43

Źródła światła generacji czwartej W źródłach światła czwartej generacji, o średniej jasności ponad 10 25, promieniujących w zakresie VUV, EUV i X wiązka elektronowa pochodzi z pierścieni akumulacyjnych wyłącznie o ultra-niskiej emitancji lub z liniaka ciepłego lub coraz częściej nadprzewodzącego. Źródła są w postaci klasycznej synchrotronu pierścieniowego lub coraz częściej w postaci lasera na swobodnych elektronach, bazującego na pierścieniu akumulacyjnym lub na liniaku. Kierunek rozwoju źródeł światła to znaczne poprawienie jakości wiązki: większa jasność, lepsza koherencja, gaussowski rozkład pola, ultra-krótki czas trwania impulsu, duża moc w impulsie, znaczne skrócenie długości fali generowanej na poziomie ograniczenia dyfrakcyjnego, itp. Liniaki oferują znacznie krótsze czasy trwania impulsu, poniżej ps, i pozwalają na generację impulsów fs. Pierścienie akumulacyjne mają obecnie ograniczenie praktyczne na poziomie 10 ps. Skrócenie tego czasu w pierścieniu akumulacyjnym, o obniżonej wartości współczynnika kompresji momentu, jest dalej możliwe do poziomu 1 ps jednak kosztem prądu wiązki i stabilności wiązki. W źródłach czwartej generacji istotnym zagadnieniem staje się stabilność wiązki elektronowej o ekstremalnych parametrach, czyli głównie o dużej gęstości. Chodzi o stabilność orbity czyli pozycji, powtarzalność, niestabilność zgęstki pojedynczej i niestabilność kolektywna zgęstek, problem zwiększającej się emitancji, rozpraszania między wiązkowego, chmury elektronowej, rozpraszania Kulombowskiego wewnątrz-zgęstkowego, multipaktingu, lawinowego powielania elektronów, gazu resztkowego, itp. Środkami zaradczymi jest zastosowanie układów sprzężenia zwrotnego, stabilizujących wnęk rezonansowych, wnęk wyższych harmonicznych, a także nowych generacji magnesów, obniżenie energii wiązki, poprawa jakości pola w undulatorze, itp. Nowe magnesy tworzą pierścienie akumulacyjne o bardzo małej emitancji, znacznej aperturach fizycznej i dynamicznej akceptującej stabilne orbity o znacznych oscylacjach betatronowych spowodowanych rozpraszaniem Kulomba na gazie resztkowym, i odporności na iniekcję pozaosiową. Ciąg magnesów w pierścieniu akumulacyjnym składa się z dipoli zakrzywiających wiązkę, kwadrupoli skupiających i sekstupoli korygujących wiązkę. Duża apertura dynamiczna magnesów daje w wyniku nowoczesne pierścienie akumulacyjne o znacznie większej dobroci, tzn. wiązka żyje w nich znacznie dłużej, nawet kilkadziesiąt godzin. Krótszy czas życia wiązki jest kompensowany przez częstsze iniekcje zgęstek uzupełniające ubytki energii przez rozpraszanie. Stały prąd wiązki jest korzystny gdyż oznacza stałe warunki pracy całego pierścienia akumulacyjnego, w tym stałe obciążenie termiczne na elementy optyczne. Konieczny jest kompromis w konstrukcji układu magnesów, optyki elektronowej, pierścienia akumulacyjnego. Duża apertura dynamiczna ciągu magnesów w pierścieniu o ultra małej emitancji są to wymagania przeciwstawne spowodowane zjawiskami chromatycznymi w magnesach kwadrupolowych skupiających wiązkę i zjawiskami nieliniowymi, zmniejszającymi aperturę dynamiczną, w magnesach sekstupolowych korygujących zniekształcenia chromatyczne. Magnesy podlegają optymalizacji pod względem kształtowania rozkładu pola magnetycznego i usytuowania, w tym rotacji, tak aby minimalizować zjawiska nieliniowe i maksymalizować aperturę. Pole ma rozkład kwadratowy w rdzeniu wiązki i maleje (lub rośnie) funkcyjnie szybciej lub wolniej tak aby minimalizować zjawiska szkodliwe we wiązce o dużych oscylacjach betatronowych. Bardziej skomplikowany rozkład pola jest w magnesach achromatycznych. Emitancja horyzontalna pierścieni akumulacyjnych wzrasta z kwadratem energii i z trzecią potęgą długości magnesu zakrzywiającego wiązkę. Ultra nisko emitancyjne pierścienie 44 akumulacyjne czwartej generacji muszą zawierać znacznie więcej magnesów zakrzywiających i skupiających oraz korekcyjnych niż pierścienie trzeciej generacji. Sekcje magnetyczne są przedzielane sekcjami prostoliniowej propagacji wiązki, oraz przeznaczonymi na inserty undulatorowe. Obwód pierścieni czwartej generacji dla danej energii wiązki jest znacznie większy. Do generacji twardego promieniowania X wiązka elektronowa musi mieć większą energię, zgęstki muszą posiadać wielką gęstość ładunku, i pierścienie muszą być znacznie dłuższe, nawet ponad kilometrowej długości. Zgęstki o wielkiej gęstości ładunku ulegają silniejszemu rozproszeniu wskutek kolizji elektronów wewnątrz pakietu (zjawisko Touschka), prowadząc do zwiększenia emitancji, i pogorszenia jakości wiązki fotonowej. Wysokoenergetyczne pierścienie akumulacyjne czwartej generacji mają znacznie bardziej skomplikowane iniektory. Jest to często liniak i pośredni pierścień akumulacyjny. Wiązka w pierścieniu pośrednim jest budowana poprzez niosiowe synchroniczne wstrzykiwanie zgęstek i tłumienie rezonansu betatronowego tak aby zgęstki pokrywały się po pewnym czasie uzyskując większą gęstość. Po wypełnieniu całego pierścienia zgęstkami odległymi od siebie o standaryzowaną odległość, charakterystyczną dla danego pierścienia, zegara systemowego i elektroniki sterującej, zgęstki są przekierowane z bajpasu na insert undulatorowy, lub są wstrzykiwane do następnego większego pierścienia akceleratorowego i akumulacyjnego o większej energii. Pojedyncze wstrzyknięcie może być osiowe, ale jeśli wstrzyknięć jest więcej, w celu bodowy większego prądu wiązki, muszą być pozaosiowe. Iniekcja pozaosiowa wymaga dużej apertury dynamicznej i znacznej dobroci pierścienia, oraz zdolności tłumienia oscylacji batatronowych tak aby odpowiednie jednoczasowe zgęstki połączyły się. Wymagania na aperturę maleją w układach z osiowym i pojedynczym wstrzyknięciem serii zgęstek. Osiowe wstrzyknięcie wiązki jest stosowane w liniakach. Generacja wyższych harmonicznych jest nieodłącznie związana z budową i zastosowaniami źródeł światła czwartej generacji z pierścieniami akumulacyjnymi. Jasności wiązki wyższych harmonicznych są określone przez emitancję, błędy undulatora i energetyczną szerokość spektralną wiązki elektronowej. Przy bardzo niskiej emitancji i bardzo wysokiej jakości undulatorów ograniczenie na jasność harmonicznych stanowi spektrum energii wiązki elektronowej. Dobrej jakości źródła czwartej generacji pozwalają na praktyczne wykorzystanie do piątej a nawet wyższej harmonicznej. Poprawa jakości pola undulatora w niskoemitancyjnych pierścieniach czwartej generacji rozszerza zakres spektralny undulatora powyżej piątej harmonicznej co pozwala na generację twardego promieniowania rentgenowskiego o wysokiej jasności podobnej do parametrów trzeciej harmonicznej ze źródeł trzeciej generacji przy mniejszej energii wiązki elektronowej. Lasery FEL mogą bazować na pierścieniach akumulacyjnych czwartej generacji bądź na liniakach. W pierścieniu akumulacyjnym konieczne jest skonfigurowanie dostatecznie długiego odcinka prostego, tak aby można było wstawić długi undulator. Dla zakresu długości fal, dla którego można utworzyć laserową wnękę rezonansową, pierścienie akumulacyjne pracują w rodzaju rezonansowym, oscylacyjnym, wieloprzejściowym. Dla fal krótszych od 200 nm, przy braku dobrych zwierciadeł stosuje się rozwiązania z techniką odbicia stycznego i wnęki rezonansowe pierścieniowe. Takie techniki działają do obszaru długości fal ok. 20 nm. Dla krótszych fal jest to niemożliwe. Alternatywnym rozwiązaniem dla tego zakresu długości fal, i jedynym dla fal jeszcze krótszych, jest rezygnacja z laserowej wnęki rezonansowej i generacja laserowa podczas jednokrotnego przejścia szeregu zgęstek elektronowych przez długi undulator. Wymaga to budowy długiego bajpasu w ta-

kim ringu akumulacyjnym. Alternatywą do pierścieni akumulacyjnych jest zasilanie undulatora z liniaka. Rozwiązanie dla dłuższych fal może zawierać laserową wnękę rezonansową i synchroniczne jej pobudzanie z liniaka tak aby zbudować odpowiednie natężenie pola optycznego we wnęce. Dla twardego promieniowania rentgenowskiego konieczna jest rezygnacja z wnęki i wykorzystanie mechanizmu SASE, oscylatorowego lub z posiewem optycznym, przy jednokrotnym przejściu zgęstkowanej i modulowanej w gęstości wiązki elektronowej. Lasery FEL z liniakiem generują wiązki poprzecznie koherentne o znacznie wyższych jasnościach wskutek mikro modulacji gęstości zgęstki elektronowej i wyrównaniu fazy mikro -zgęstek z długością generowanej fali optycznej. Modulacja następuje wskutek interakcji pomiędzy wiązką elektronową z polem optycznym o dużym natężeniu wewnątrz klasycznego undulatora magnetycznego o polu periodycznym. Przy mikro-zgęstkowaniu z długością fali optycznej generowana moc optyczna jest proporcjonalna do liczby elektronów w kwadracie, a nie liniowo jak dla makro-zgęstki nie modulowanej. Jednokrotne przejście dla generacji wiązki światła wymaga zastosowania fotokatodowego działa elektronowego, generującego krótkie pikosekundowe i nano-kulombowe impulsy o znormalizowanej emitancji poniżej 1mm-mrad, kontroli degradacji emitancji podczas procesu akceleracji i silnej na ogół dwukrotnej kompresji zgęstek, znacznie większej jakości wiązki elektronowej i undulatora, a także współistnienia silnego procesu wzmacniającego z falą bieżącą. Znaczną zaletą FEL z liniakiem jest możliwość optymalizacji impulsu rentgenowskiego do rodzaju eksperymentu, co nie jest możliwe w pierścieniach akumulacyjnych. Liniaki mimo licznych zalet mają także wady. Pole EM w nadprzewodzących rezonansowych wnękach przyspieszających, np. niobowych typu Tesla jest ograniczone obecnie praktycznie do poziomu ok. 35 40 MV/m i nawet po optymalizacji wnęk nie przekroczy zapewne 50MV/m. W optymalizowanych wnękach ciepłych maksymalna wartość pola wynosząca nawet ponad 100 MV/m (w rekordowych rozwiązaniach nawet 200MV/m) jest ograniczone praktycznie zjawiskiem uszkadzania powierzchni metalu, w miejscach największego natężenia pola i najmniejszego promienia krzywizny. Następuje wyrywanie atomów metalu z powierzchni zakrzywionej. Znaczna wartość pola przyspieszającego uniemożliwia zwiększenie częstotliwości repetycji impulsów, gdyż pole EM dużej mocy musi wypełnić cały falowód i zmienić jego wymiary wskutek działania siły Lorentza. Obniżenie gradientu jest konieczne przy pracy z większą częstotliwością. Czyli nadal, uzyskanie w klasycznym rozwiązaniu źródła czwartej generacji długości fali sub-angstromowej wymaga liniaka ponad kilometrowej długości, i kosztów rzędu setek milionów. W kierunku piątej generacji źródeł światła Ewolucja generacji Znakomitym i jednym z najsilniejszych impulsów w kierunku prac nad akceleracją plazmową PWFA (plasma wakefield acceleration), do budowy FEL, był udany eksperyment z podwojeniem energii wiązki 42 GeV z akceleratora SLAC, przy pomocy struktury o długości 1 m. Jeśli myśli się o zwiększeniu dostępności do unikalnej wiązki światła, to konieczne jest poszukiwanie rozwiązań miniaturowych, w dużej mierze odmiennych. A to oznacza zmianę generacji źródeł światła. W pewnym sensie oznacza to wynalezienie lasera FEL od nowa. FEL o umiarkowanych wymiarach, który byłby dostępny w przyszłości w wielu zainteresowanych laboratoriach. FEL który można po prostu kupić za znośną cenę. Czy w nowym źródle światła wymieniać wszystko na nowe: działo elektronowe, iniektor, generator fal EM, mechanizm przyspieszania, akcelerator, kompresor, mechanizm konwersji energii, generator światła, rozprowadzanie wiązki twardych promieni X? Mówimy tutaj dalej o FEL promieniującym twarde promieniowanie rentgenowskie, klasy EXFEL Europejskiego lasera rentgenowskiego FEL budowanego w DESY, który jest wielką blisko trzy i pół kilkometrową maszyną czwartej generacji i jego odpowiedniku piątej generacji. EXFEL promieniuje fale optyczne w zakresie 0,05-5 nm i jego parametry są następujące: energia wiązki elektronowej 20 GeV, częstotliwość repetycji impulsów optycznych do 27 khz, minimalny czas trwania <100 fs, maksymalna jasność <10 34, średnia jasność >10 25, pełna koherencja promieniowania optycznego, koszt całkowity ponad 1,2 Mld. Poniżej spróbujmy opisać jak zbudować laser FEL następnej generacji o podobnych lub lepszych parametrach. Skok o całą jedną generację jest trudny, niektórzy mówią o ewolucji i generacjach 4.1; 4.5, itp., i 5 generacja jest celem. Pierwszym krokiem w kierunku miniaturyzacji jest konstrukcja miękkiego XFEL z krótkim pobudzanym klistronami klasycznym liniakiem o małej energii i z silnie zminiaturyzowanym undulatorem. Takie prace w kilku laboratoriach potraktowano jako pierwszy krok do miniaturyzacji (UCLA), a generację nazwano 4.1. FEL piątej generacji Miniaturowy laser FEL piątej generacji jest źródłem promieniującym impulsy attosekundowe, o bardzo wąskim widmie spektralnym, megahercowej częstotliwości repetycji, i wielkiej jasności impulsu. W porównaniu ze źródłami czwartej generacji obszarem działania źródeł piątej generacji są znacznie większe natężenia pola EM, raczej GV/m i TV/m niż MV/m i większe gęstości energii. Ogólnie można wydzielić dwa obszary działania laserów FEL, z krótkimi impulsami rzędu fs, oraz z długimi impulsami rzędu ps. Długość generowanego impulsu posiada konsekwencje na konstrukcję lasera i jego parametry technologiczne. FEL krótkoimpulsowe wymagają małego ładunku zgęstki rzędu pc, małej energii wiązki elektronowej, małej ilości fotonów w impulsie. W odróżnieniu od tego FEL długoimpulsowe wymagają znacznego ładunku zgęstki nc, dużej energii wiązki elektronowej i dużej liczby fotonów w impulsie. Podatne na znaczną miniaturyzację będą zapewne bardziej lasery femtosekundowe. Także długoimpulsowe i CW mogą być miniaturyzowane i wykonywane w technologii piątej generacji, ale dla innych łatwiejszych technicznie parametrów wiązki mniejszych jasności średnich. Większa moc CW oznaczać będzie powiększenie rozmiarów lasera. Fotoiniektor Uzyskanie krótkiego impulsu w laserze FEL wymaga krótkich zgęstek elektronowych. Źródłem wiązki elektronowej składającej się z impulsów zgęstek elektronowych jest fotoiniektor RF, który także może być miniaturyzowany poprzez integrację kilku funkcji. Fotoiniektor zawiera działo elektronowe z fotokatodą pobudzaną krótkim impulsem laserowym, wnękę rezonansową kształtującą chmurę elektronową w zgęstkę o dużym prądzie wiązki, jak najmniejszej emitancji oraz wstępną sekcję przyspieszającą. Wszystkie te elementy mogą być zintegrowane w jedną całość. Impuls optyczny zależy w dużej mierze od jakości zgęstki generowanej w fotoiniektorze i potem od ewolucji emitancji w czasie akceleracji zgęstek. Klasyczny fotoiniektor czwartej generacji zawiera półtora lub więcej akceleracyjnych wnęk rezonansowych ciepłych lub zimnych. Dla wybranego pasma pracy liniaka np. 3 GHz lub 9 GHz nie da się tego urządzenia miniaturyzować poniżej warunku propagacji zasilającej fali EM dużej mocy. W źródle piątej generacji konieczna jest także w iniektorze zmiana technologii na pla- 45

zmową. Badane plazmowe i fotoniczne techniki iniekcji obejmują, oprócz iniekcji zewnętrznej, metodę Konia Trojańskiego czyli generację i ko-propagację zgęstki elektronowej w bąblu plazmy generowanym przez zgęstkę pompującą, a także generację skoku gęstości plazmy, oraz wykorzystanie wyższego stopnia jonizacji np. metodą wieloimpulsową, a także przyszłościową metodę zderzacza fotonowego γ-γ, czyli kolidujących impulsów laserowych o krytycznym natężeniu. Fotiniektory w nowoczesnych rozwiązaniach są testowane w czołowych laboratoriach FEL i eksperymentach FLASHForward, FACET-II, SINBAD, CLARA, i innych. Kompresor Kompresja zgęstki może być wykonywana na drodze magnetycznej z dyskryminacją prędkości energetycznych składowych spektralnych. Tak jest wykonywana w źródłach czwartej generacji. W krótkim akceleratorze piątej generacji klasyczny kompresor nie powinien być zastosowany. Wiązka przebiega drogę o kształcie litery U w polu magnetycznym w klasycznym kompresorze. Następuje kompensacja prędkości składowych energetycznych i silna kompresja zgęstki. Kompresja może być wykonywana na drodze elektromagnetycznej np. poprzez pułapkowanie elektronów monoenergetycznych w akceleratorze plazmowym. Rozwiązanie EM posiada znacznie większy potencjał miniaturyzacji. Zwierciadła Operowanie wiązką twardego promieniowania rentgenowskiego generowanego przez laser XFEL jest utrudnione ze względu na brak skutecznych zwierciadeł. Testowane są rozwiązania komapatybilne z dynamiczną generacją plazmowych kanałów akceleracyjnych oraz undulatorów elektromagnetycznych. Czynnikiem wymagającym opracowanie nowych konstrukcji jest nie tylko mała długość fali ale także znaczna gęstość mocy we wiązce tak duża, że potencjalne zwierciadło może być wykorzystane jednorazowo. Prowadzone są testy z dynamiczną elektromagnetyczną generacją ultra gęstych zwierciadeł dla promieniowani X przy pomocy fali uderzeniowej w plazmie [Leemans, UCLA]. Wiggler, undulator 46 Undulator zbudowany z magnesów stałych, taki jaki jest stosowany w źródłach czwartej generacji, można miniaturyzować zmniejszając jego okres. Stosując krótszy okres undulatora można redukować wymaganą energię wiązki elektronowej dla danej długości generowanej fali optycznej. Sub-milimetrowy okres undulatora pozwana na generację miękkiego promieniowania X dla wiązki o energii rzędu 100 MeV (w odróżnieniu od kilku GeV dla rozwiązań klasycznych). Twarde promieniowanie X jest generowane w tych warunkach dla wiązki o energii kilku GeV w nowych maszynach i kilkudziesięciu GeV w klasycznych maszynach. W rozwiązaniach miniaturowych stosuje się magnesy nadprzewodzące z materiałów magnetycznych HTS, także z materiałów Pr-SmCo-Fe, Nb s Sn, NbTi. Uzyskano rozwiązania undulatorów o okresie znacznie poniżej 1 cm i polu ponad 2 T. Jednak dalsza miniaturyzacja wymaga innych technologii wytwarzania mechanicznych periodycznych elementów o okresie znacznie poniżej 1 mm, zastosowania technologii MEMS do budowy undulatora, lub zupełnie odmiennie dynamiczna generacja undulatora EM, podobnie do dynamicznej generacji odcinka akceleratora w pobudzonej laserem plazmie. Najbardziej podatne na miniaturyzację jest elektromagnetyczne rozwiązanie undulatora. Naturalnym kierunkiem rozwoju idei miniaturyzacji jest zastosowanie technologii MEMS do wytworzenia undulatora z elektromagnesami o okresie sub-milimetrowym, nawet do 20 µm. Zaletą miniaturowych elektromagnesów MEMS o wymiarze apertury rzędu kilkuset mikrometrów, 100µm i mniejszych, składanych w undulator, jest znaczny gradient pola magnetycznego rzędu kilku kt/m w porównaniu do 0,5 T/m dla klasycznych elektromagnesów miniaturowych o wymiarze rzędu 5 mm. Elektromagnesy kwadrupolowe wykonane w technologii MEMS są testowane dla celów kolimacji i skupiania wiązki elektronowej. Możliwe jest ich strojenie dla potrzeb precyzyjnej konfiguracji wiązki. Wszystkie elementy toru podlegają miniaturyzacji. Siła undulatora Miniaturowy undulator posiada bardzo krótki okres ale nie posiada większego pola magnetycznego, w związku z czym jego działanie jest słabsze. Wartość parametru K - siły undulatora jest mała K<0,1. Droga wzmocnienia wydłuża się. To zjawisko można kompensować silniejszym sprzężeniem wiązki elektronowej z polem magnetycznym, ale nie przez zastosowanie wigglera (zamiast undulatora) gdyż promieniowanie byłoby niekoherentne, tylko przez znaczne skupienie wiązki elektronowej do poziomu poniżej 10 µm przy pomocy miniaturowych kwadrupoli wykonanych także w technologii MEMS. Bardziej skupiona wiązka jest ekwiwalentem wzrostu wzmocnienia ośrodka. Siła undulatora jest wyrażona zależnoebλ ścią: K =, gdzie e ładunek elektronu, λ okres undula- 2πmc tora, B pole magnetyczne, m spoczynkowa masa elektronu, c prędkość światła. Dla undulatora zachodzi K<<1, a dla wigglera K>>1. Oddziaływanie trzech pól Istotą działania lasera FEL jest dynamiczne oddziaływanie trzech pól/fal. Plazma w takim złożonym oddziaływaniu jest bardzo efektywnym transformatorem energii i jasności uczestniczących w procesie przemiany wiązek. Jest także transformatorem wymiarów fizycznych i czasowych tych procesów. W źródle piątej generacji wszystkie z tych fal mogą mieć charakter lokalnej dynamicznej wysokoenergetycznej niestabilności, elektronowo-elektromagnetycznej. Koegzystencja tych niestabilności w odpowiedni sposób fazowanych, w niewielkiej przestrzeni 4D daje rezultat w postaci koherentnego, wąskopasmowego promieniowania fotonowego. Wysokoenergetyczne promieniowanie synchrotronowe zachodzi w mikro obszarach o dużej gęstości energetyczno-przestrzenno-fazowej. Zjawiska kolektywne na poziomie elektronowo-fotonowym zachodzą bardzo silnie w obszarach kolizji. Kolizja wiązek elektronowych i elektronowo-pozytronowych prowadzi do intensywnego oddziaływania jednej wiązki z polem EM drugiej wiązki, wskutek czego generowane są pary wysokoenergetycznych fotonów, nazywane promieniowaniem wiązkowym (beamstrahlung). Zjawisko to w akceleratorach i zderzaczach może być szkodliwe (w punktach interakcji gdzie wiązki zbliżają się do siebie), choć wykorzystywane jest także do diagnostyki obu wiązek, ale również może być potencjalnie wykorzystane do budowy miniaturowych źródeł światła nowej generacji. Promieniowanie synchrotronowe wiązki w polu EM wiązki opozycyjnej posiada rozproszone widmo. Wiązki e + -e - skupiają się wzajemnie do wewnątrz a po kolizji rozbiegają się. Kolidujące elektrony w zgęstce rozpraszają się na fotonach promieniowania wiązkowego. Pole kolektywne w kolizji wiązek osiąga wartości TV/m, będąc potencjalnym obszarem bardzo silnej energetyzacji wiązki elektronowej na niewielkiej odległości. Wiązki elektronowa i fotonowa Miniaturowy laser FEL piątej generacji może działać wyłącznie na wiązce elektronowej o bardzo małym ładunku zgęstki

rzędu pc lub mniejszej, zamiast nc w obecnym FEL czwartej generacji, i bardzo dużej jasności, oraz attosekundowej długości impulsów, a także zmniejszonej energii wiązki elektronowej. Undulatory w tej sytuacji posiadają bardzo krótki okres i dlatego nie konieczna jest wielka energia wiązki elektronowej aby i tak generować twarde promieniowanie X. Wystarczająca jest wiązka o energii poniżej 2 GeV, w odróżnieniu od TeV dla rozwiązania czwartej generacji. Podsumowując, FEL twardy rentgenowski o długości 1 m (może 10 m) i mocy w impulsie TW, wymaga zmniejszenia ładunku zgęstki co najmniej 10 3 razy, zmniejszenia energii elektronów do poziomu pojedynczych GeV, zmniejszenia przestrzeni fazowej do poziomu attosekundy, zmniejszenia emitancji do poziomu sub-pm-mm, zmniejszenia undulatora do kilku cm z okresem magnetycznym poniżej 100 µm, zmniejszenia akceleratora do kilkudziesięciu lub kilku cm. Czy to jest w ogóle możliwe? Niektóre z tych wymagań na pierwszy rzut oka wyglądają na science fiction, gdyż przekraczają obecne parametry nawet 10 3 razy. Oczekiwane parametry takiej rodziny laserów FEL piątej generacji w początkowej fazie rozwoju powinny być następujące: przestrajana energia fotonu 0,1 100 KeV, częstotliwość repetycji impulsów 10 2 10 6 Hz, koherencja poprzeczna ograniczona dyfrakcją, koherencja wzdłużna ograniczona transformatą Fouriera, liczba koherentnych fotonów w impulsie 10 10 10 15, jasność szczytowa 10 30 10 35, jasność średnia 10 18 10 27, polaryzacja kontrolowana od liniowej do kołowej. Dla różnych grup aplikacyjnych laserów te wymagania będą jednak odmienne. Oscylator w obszarze promieniowania X wymaga znacznej stabilności działania, generuje impulsy ograniczone pasmem (transformatą Fouriera) i niewielkiej szerokości spektralnej 10-8. Lakcelerator półprzewodnikowy Idea półprzewodnikowych scalonych akceleratorów laserowych wiązki elektronowej, laserów-akceleratorów, lakceleratorów, jest testowana teoretycznie i technologicznie [UCLA]. Pobudzająca pompująca wiązka laserowa jest wstrzykiwana do półprzewodnika prostopadle do podłoża w obszarze sprzężenia przy pomocy falowodu Bragga. Wiązka jest transferowana w mod akceleracyjny rozprzestrzeniający się wzdłuż struktury tworzącej część przyspieszającą, prostopadle do wiązki pobudzającej. Akcelerowana wiązka elektronowa rozprzestrzenia się w szczelinie lub kapilarze biegnącej wzdłuż maksimum akceleracyjnego periodycznego pola optycznego. Periodyczne pole optyczne pełni rolę akceleracyjną wzdłuż toru wiązki, dodatkowo ją mikro-strukturyzując z długością fali optycznej, oraz rolę skupiającą wskutek odpowiednio ukształtowanego gradientu w przekraja poprzecznym. Takie w pełni półprzewodnikowe i elektromagnetyczne sekcje przyspieszające i skupiające mogą być powielane wzdłuż toru wiązki elektronowej. Wiązka elektronowa z akceleratora półprzewodnikowego jest następnie wstrzykiwana do undulatora fotonicznego. Całość struktury składająca się z fotoiniektora plazmowego, akceleratora półprzewodnikowego i undulatora fotonicznego może mieć teoretycznie długość 10 cm. Przy tak niewielkich rozmiarach istotnym problemem do rozwiązania oprócz synchronizacji jest efektywność energetyczna całości procesu generacji i konwersji energii oraz zagadnienia stabilności termicznej. Inną ideą lakceleratora jest odwrócenie działania lasera na swobodnych elektronach FEL, określanego w literaturze skrótem IFEL. FEL GALAXIE Realistycznym budowanym modelem miniaturowego, zintegrowanego twardego rentgenowskiego lasera SASE FEL jest GALAXIE. Projekt jest realizowany w ramach programu DAR- PA AXiS. Galaxie składa się ze źródła elektronów i bardzo dużej jasności, lasera 5µm dużej mocy, fotonicznego dielektrycznego 800 MeV akceleratora laserowego z polem GV/m o długości 1m, undulatora EM o długości 2m i okresie 0,1mm. Galaxie jest laserem FEL całkowicie optycznym, bez klasycznych dużych magnesów. Magnesy występują wyłącznie w rozwiązaniu MEMS. Akcelerator dielektryczny jest monolityczną płaską strukturą fotoniczną 3D o wymiarze charakterystycznym sub-mikronowym, wykonaną z SiO 2 Al 2 O 3 w której propagowane są dwie przesunięte w fazie pompujące wiązki laserowe i pomiędzy nimi akcelerowana wiązka elektronowa. Struktura fotoniczna dziurowa o okresie mikrometrowym determinuje powstanie w kanale kapilarnym periodycznego pola przyspieszającego. Badane są różne konfiguracje i charakterystyki fotonicznego światłowodu akceleracyjnego. Kanał propagacji wiązki elektronowej w strukturze fotonicznej posiada średnicę 2µm. Jak każda struktura fotoniczna i ta jest skalowalna w długości fali. Testowane są rozwiązania dla fal THz. Galaxie stosuje fotiniektor pracujący w pasmie super-s, o bardzo dużym natężeniu pola ponad 175 MV/m i krótkim impulsie RF oraz małym ładunku zgęstki mniejszym niż 1pC, oraz sub-mikrometrowym wymiarem poprzecznym zgęstki. Do umożliwienia manipulacji w przestrzeni fazowej i diagnostyki stosuje się magnetyczne rozszczepienie emitancji wiązki. Zastosowano optykę o ultra krótkiej ogniskowej z mikro-kwadrupolami i mikro-dipolami MEMS. Do obrazowania wiązki sub -mikronowej zastosowano techniki koherentne. Do generacji twardego promieniowania rentgenowskiego przez Galaxie, przy energii wiązki mniejszej od 1 GeV konieczny jest relatywnie długi undulator EM o okresie mniejszym niż 0,1 mm i sile K>0,1. Rozważanych jest kilka konstrukcji, periodyczna struktura mechaniczna wypełniana synfazowym z okresem mechanicznym polem THz, falowód IR, rozwiązanie Thompsona w wolnej przestrzeni, rozwiązania fotoniczne. FEL elektromagnetyczny Badana jest akceleracja we wzbudzonym polu laserowym w plazmie, gdzie linia akceleracyjna i undulator ma charakter elektromagnetyczny. Największa wartość pola elektrycznego dla celów akceleracji elektronów (i innych cząstek) może być generowana dynamicznie poprzez separację elektronów i jonów w gęstej plazmie. Separacja jest dokonywana podczas propagacji intensywnego super relatywistycznego impulsu protonowego, elektronowego lub laserowego w plazmie, wskutek generacji pola wzbudzonego. Natężenie pola elektrycznego wokół toru impulsu laserowego czy elektronowego osiąga chwilowo wartość wielu TV/m, i jest sześć rzędów wielkości większe od pola w akceleratorze nadprzewodzącym. Nie tylko wartość tego pola ale i jego wymiary podłużne i poprzeczne, stabilność na czas pasażu i akceleracji zgęstki elektronowej, oraz sub-femtosekundawa synchronizacja zachodzących zjawisk jest kluczem do znacznego skrócenia długości gigantycznych liniowych akceleratorów nadprzewodzących. Skrócenie milion razy wielkiego akceleratora o długości 100 km daje urządzenie o długości metrów - centymetrów. Celem jest generacja GeV elektronowej wiązki wysoce koherentnej i ściśle mono-energetycznej. Ze względu na znaczną dynamikę zachodzących wysokoenergetycznych procesów, trudne jest uzyskanie długiego kapilarnego toru akceleracyjnego w plazmie istniejącego stabilnie przez dłuższy okres czasu. Kanały nie muszą być długie, ale mogą być periodyczne, aby elektrony uzyskiwały energię na poziomie GeV. Podobnie do zasilania klasycznego akceleratora klistronem, poszczególne odcinki kanału plazmowego są zasilane odrębnym źródłem laserowym. W innym schemacie akceleracji będą to bąble ultrawysokiego pola otaczające silnie skompresowany czaso- 47

wo femtosekundowy, kilkuokresowy impuls laserowy. Kanał akceleracyjny w plazmie będzie poprzerywany ale nadal periodyczny z okresem powtarzania impulsów laserowych. W takim kanale konieczne jest precyzyjne pułapkowanie i zsynchronizowanie propagowanych współbieżnie z impulsami elektronowymi monochromatycznych zgęstek elektronowych o niewielkim ładunku nc. Przy odpowiedniej energii impulsów laserowych i częstotliwości repetycji kanał plazmowy może być w pełni ciągły budując rodzaj wzmacniającego światłowodu plazmowego o odpowiednim układzie refrakcyjnym dla propagacji promieniowania X. Powstanie takiego światłowodu ułatwia zastosowanie technik znanych ze światłowodów fotonicznych, gdzie propagacja jest zapewniona nie tylko dzięki mechanizmowi refrakcyjnemu ale także tworzenia zabronionych pasm fotonicznych i dozwolonych kierunków propagacji promienia światła. W takim rozwiązaniu struktura fotoniczna jest tworzona dynamicznie w plazmie a propagacja promienia światła odbywa się wzdłuż kapilary fotonicznej. Akcelerator plazmowy AWAKE W CERN jest realizowany pilotowy projekt AWAKE [awake. web.cern.ch] którego celem jest opanowanie do końca 2018 r. budowy stabilnego kanału akceleracyjnego dla relatywistycznych zgęstek elektronowych w plazmie, o relatywnie znacznej długości przy pomocy impulsowej wiązki protonowej o energii 400 GeV z akceleratora SPS. Zaletą stosowania wiązki protonowej jest jej znaczny zasięg w plazmie. Jednym z zagadnień badawczych jest uzyskanie odpowiednio krótkich impulsów protonowych, które bezpośrednio z SPS są za długie, tak aby możliwe było przyspieszenie elektronów. Konieczne jest uniknięcie zjawiska defazowania zgęstek elektronowej względem protonowej. Mikrozgęstkowanie makrozgęstki we wiązce protonowej jest uzyskiwane przez wywołanie przy pomocy promieniowania laserowego o znacznym natężeniu niestabilności samo-modulacyjnej. Mikrozgęstki aby być efektywne w przygotowywaniu kanału akceleracyjnego muszą mieć oczekiwany okres akceleratora plazmowego. Wówczas akcelerowana zgęstka elektronowa może podążać bezpośrednio za torującą jej drogę i budującą strukturę akceleratorową w plazmie bardzo krótką, niskoładunkową, gęstą sub-femtosekundową wysokoenergetyczną super-relatywistyczną mikrozgęstkowaną wiązką protonową. Zgęstka elektronowa jest przyciągana przez poprzedzającą periodyczną zgęstkę protonową od przodu, otwierającą bąbel plazmy a z tyłu jest odpychana przez elektrony zamykającego się bąbla plazmy. Taki układ akceleracji będzie działał tylko w przypadku dokładnego sfazowania wszystkich uczestników procesu. Po pewnym czasie zgęstka protonowa (także dotyczy to impulsu laserowego) traci energię i układu ulega defazowaniu. Podobne do AWAKE projekty są prowadzone w kilku laboratoriach testujących nieco inne idee budowy akceleratora plazmowego. FACET/SLAC badania nowych undulatorów W laboratorium UCLA budowane i testowane są modele przejściowe miniaturowych laserów FEL [physics.ucla.edu] infrastruktury Keck, Facet, itp. Badania są prowadzone także we współpracy z laboratoriami SLAC, DESY, Strathclyde, HZB, BNL, itp. Laserowa infrastruktura badawcza składa się z miniaturowego hybrydowego działa elektronowego fotoiniektora z redukcją emitancji, oraz miniaturowego dwusekcyjnego liniaka elektronowego o energii ponad 60 MeV o długości 4,5 m zasilanego dwoma klistronami pracującymi w pasmie S o mocy 25 MW każdy, ładunku zgęstki 20 pc, emitancji 0,2 mm-mrad, spektrum energii 0,1%, długości zgęstki 70 fs i prądzie szczytowym 300 A. Przy pomocy takiego zminiaturyzowanego pełnego iniektora bez kompresora ale o wiązce 48 bardzo dobrej jakości i ultra wysokiej jasności, oraz ultra małych wymiarach <10 µm, są testowane undulatory nowej generacji wykonane w technologii MEMS i innych technologiach. Połączenie wiązki ultra-wysokiej jasności i ultra-małych rozmiarów z undulatorem o mikrometrowym okresie daje zupełnie nowe rezultaty, w tym przede wszystkim możliwość znacznego obniżenia energii wiązki elektronowej. Zbudowany w ten sposób FEL SASE może posiadać standardowo następujące parametry wiązki optycznej, dla drogi nasycenia ok. 1 m, i całkowitej długości infrastruktury nie przekraczającej 10 m: λ 20 nm miękkie promieniowanie X, emitancja 0,02 mm-mrad, średnica wiązki 3 µm, liczba fotonów w impulsie ok. 10 12, moc szczytowa 20 MW. Akcelerator plazmowy LWFA i PWFA Plazmowy kanał akceleracyjny tworzony jest impulsową wiązką pompującą elektronową lub fotonową, za którą podąża synchronicznie impulsowa elektronowa wiązka energetyzowana, generowana osobno synchronicznie impulsem laserowym. Impuls laserowy jest falą poprzeczną. Zgęstka elektronowa jest polem unipolarnym poprzecznym. Impuls laserowy łatwo jonizuje materię przy 10 14 W/cm 2, ale do utworzenia w plazmie bąbla konieczna jest wielkie natężenie promieniowania 10 18 W/cm 2 LWFA. Zgęstka elektronowa może także utworzyć w plazmie bąbel ładunkowy o znacznym gradiencie pola, ale natężenie pola wymagane do samo jonizacji jest bardzo duże powyżej 5 GV/m PWFA. W technice PWFA elektrony relatywistyczne zgęstki wiązki pompującej poruszają się z prędkością bliską prędkości światła i nie występuje zjawisko defazowania zgęstki wiązki energetyzowanej poruszającej się z taką samą prędkością. Droga akceleracji jest znacznie dłuższa w PWFA mimo zjawiska ekspansji wiązki pompującej. W przypadku LWFA wiązka pompująca podlega dyfrakcji. Analiza wad i zalet metod LWFA i PWFA prowadzi do ich połączenia i wykorzystania jedynie zalet. Oznacza to zastosowanie impulsów laserowych do jonizacji kanału plazmowego i natychmiast wiązki elektronowej do pompowania i tworzenia naenergetyzowanego kanału akceleracyjnego. Wiązka laserowa jonizuje i generuje elektrony o niskim momencie poprzecznym. Jednokierunkowe pole poprzeczne zgęstki elektronowej odrzuca elektrony na boki toru propagacji wiązki i generuje poruszający się z impulsem pompującym bąbel ładunkowy o znacznym natężeniu fali wzbudzonej. W rozwiązaniach plazmowych na większej długości akceleracyjnego kanału plazmowego obserwowane są zjawiska dyfrakcji, defazowania i tłumienia wiązki pompującej. Zjawiska te ograniczają wzmocnienie energetyczne w kanale plazmowym. Akcelerowane elektrony wypadają z fazy pola wzbudzonego. W celu przedłużenia efektywnej drogi interakcji stosuje się metodę quasi-dopasowania fazowego polegającą na osiowej modulacji kanału plazmowego. Okres modulacji jest dopasowany do długości defazowania zgęstki relatywistycznych elektronów. Wówczas elektrony są przyspieszane na odległości równej kilku długościom defazowania. Defazowaniu częściowo zapobiega podłużne stożkowe profilowanie kanału plazmowego. Dyfrakcji zapobiega poprzeczne stożkowe profilowanie kanału plazmowego. Połączenie i optymalizowanie zalet obu metod LWFA/ PWFA jest możliwe w tworzącym plazmę dwustopniowo ośrodku dwuskładnikowym. Składnikami są wodór jako ośrodek o niskim poziomie jonizacji 13,6 ev oraz hel jako ośrodek o wysokim poziomie jonizacji 24,6eV. Zamiast wodoru stosowane są także metale alkaliczne, Li. Na, Rb, Cs, ok. 5eV. Zamiast helu stosuje się wyższy poziom jonizacji metali alkalicznych Rb + 27,3 ev. Dla każdego ze składników stosowany jest inny impuls pompujący. Pompująca zgęstka elektronowa jest

prekursorem i jonizuje wodór (nie jonizuje helu) oraz odrzuca na boki uwolnione elektrony, a w konsekwencji tworzy bąbel ładunkowy w plazmie. Ognisko pompującej wiązki laserowej jest zlokalizowane na końcu plazmowego bąbla ładunkowego. W tym ognisku jonizowany jest hel, i uwolnione elektrony są kompresowane, tworzą zgęstkę pułapkowaną w bąblu i podążającą synchronicznie za zgęstką pompującą. W takiej geometrii tworzenia plazmowego kanału akceleracyjnego nie potrzebny jest w ogóle iniektor. Kanał jest otwierany łącznie z iniekcją. Podczepiana w taki sposób do bąbla plazmowego zgęstka akcelerowana jest nazywana Koniem Trojańskim. Odległość pomiędzy poziomami jonizacji obu składników plazmy jest nazywana korytarzem jonizacyjnym. Natężenie impulsu laserowego jest krytyczne i powinno być nieco ponad poziom jonizacji medium. Wówczas poprzeczny moment pędu elektronów jest bardzo mały co ma znaczenie dla ultra niskiej emitancji tworzonej zgęstki i wielkiej jasności wiązki. W technologii LWFA/PWFA attosekundowe przyspieszane zgęstki elektronowe są możliwe do generacji przy pomocy laserów pompujących o większej częstotliwości, o niższym natężeniu wiązki i bardzo dokładnym ogniskowaniu. Przestrajanie procesu generacji zgęstki akcelerowanej odbywa się poprzez zmianę jej ładunku. Ładunek zgęstki jest zmienny w funkcji natężenia wiązki lasera pompującego, rozmiaru ogniska i sposobu ogniskowana, długości przewężki promienia (długość Rayleigha). Dla mniejszej wartości ładunku i mniejszym natężeniu lasera, długość Rayleigha jest mniejsza. Odwrotnie jest dla większych ładunków i większego natężenia, długość Rayleigha jest większa. Jeśli potencjał fali wzbudzonej jest dostatecznie duży to pułapkowanie zgęstki przyspieszanej jest w różnych miejscach bąbla plazmowego, nie tylko na końcu. Stosując laserowe pompowanie wieloimpulsowe można tworzyć w bąblu kilka elektronowych zgęstek przyspieszanych. Taka metoda iniekcji wieloimpulsowej Trojan Horse jest testowana w eksperymencie FACET/ SLAC z zastosowaniem składników plazmy H/Li. Sąsiadujące zgęstki mogą mieć inne energie co prowadzi do generacji w undulatorze fotonowej wiązki wielokolorowej. Przestrajanie energii odbywa się poprzez umieszczanie zgęstek w różnych miejscach bąbla plazmowego. Taka inżynieria energetyczna zgęstek umożliwia rozdzielanie, pokrywanie, przyspieszanie i opóźnianie zgęstek, a więc kształtowanie w szerokich granicach wyjściowej wiązki fotonowej. Testy wstępne rozwiązań akceleracji laserowo-plazmowej są prowadzone w wielu laboratoriach jak Strathclyde, Frascati, Jena, RAL, UHH/DESY itp. Eksperyment PWFA@FACET dysponuje znakomitą infrastrukturą akceleratorową laboratorium SLAC: stabilną wiązką elektronową pompującą o wystarczającej energii 23 GeV do samo-jonizacji atomów Rb, oraz laserem 10 TW do prejonizacji. Prace trwają nad ultra precyzyjną synchronizacją trzech fal z dokładnością femtosekundową. Oczywiście na razie ten eksperyment nie ma nic wspólnego z miniaturyzacją lasera FEL piątej generacji gdyż korzysta z liniaka SLAC o długości 2 km. FLASHForward DESY Infrastruktura PWFA jest budowana przy liniaku i FEL FLA- SH2 [vi-pwfa.desy.de], [14]. Celem jest budowa akceleratora PWFA o długości kilku cm w plazmie wodorowej o energii wiązki rzędu GeV i jakości odpowiedniej dla zastosowania do budowy FEL. Pole wzbudzone w plazmie jest generowane przez liniak FLASH. Badane są wewnętrzne i zewnętrzne metody wstrzykiwania wiązki akcelerowanej w tym metoda Trojan Horse. Plazma jest generowana przez system laserowy o mocy ponad 10 TW. System laserowy zapewnia także diagnostykę optyczną plazmy i wiązki elektronowej dzięki dokładnej fs synchronizacji pomiędzy laserem i pompujący wiązką elektronową. Głównym początkowym celem eksperymentalnym jest testowanie iniekcji dla PWFA. Laboratorium posiada plazmową komorę akceleracyjną o znacznych możliwościach rekonfiguracji, np. profli gęstości plazmy podłużnej i poprzecznej, w celu kompensacji rozbieżności wiązki. Po opanowaniu technik akceleracji i produkcji wiązki wysokiej jakości będzie ona wykorzystana do generacji wiązki fotonowej o długości kilku nm. FLASHForward rozpocznie działalność eksperymentalną w pierwszej połowie 2017 r. LAOLA DESY Jest wspólnym laboratorium DESY i UH badającym mechanizmy LWFA/PWFA korzystając z lokalnej infrastruktury akceleratorowej i laserowej. Eksperymenty LAOLA są prowadzone w trzech infrastrukturach: PITZ testowa infrastruktura fotoiniektorowa w DESY/Zeuthen [pitz.desy.de], REGAE infrastruktura testowa działa elektronowego [raege.desy.de] do badań iniekcji zewnętrznej, oraz FLASH liniak elektronowy i laser FEL [flash.desy.de]. Takich inicjatyw badawczych dotyczących obszaru PWFA jest więcej, także w DESY. HEL- MHOLTZ VI for PWFA jest inicjatywą, typu instytut wirtualny, współpracy DESY, UH, LBNL i SLAC w obszarze badań akceleracji PWFA [vi-pwfa.desy.de]. Akcelerator plazmowy w falowodach fotonicznych Początkowe rozwiązania akceleratora plazmowego bazują na metodzie objętościowej. Plazma nie jest ograniczona a kanał jest budowany przez pompę i impulsy prekursora. Plazmę można jednak ograniczyć w falowodzie. Celem jest uzyskanie twardego promieniowania X, przy pomocy innych rozwiązań undulatorów w dziedzinie fotoniki. Z innego rodzaju pomocą w ominięciu trudności akceleracji plazmowej PWFA/ LWFA przychodzą rozwiązania fotoniczne, np. światłowodowe, gdzie periodyczny akceleracyjny kanał plazmowy jest tworzony wewnątrz kapilary fotonicznej. Takie rozwiązanie daje możliwości obniżenia strat pompy, wydłużenie efektywnej drogi pompowania i wzmocnienia, ograniczenia dyfrakcji, możliwości strojenia także z zastosowaniem źródeł THz, laserów OPA, itp. Ograniczeniem wartości pola jest próg przebicia, wynoszący dla obecnych rozwiązań ok. 10GV/m i nieco różny dla pól akceleracyjnych i deceleracyjnych. Badane są koncepcje podwyższenia wartości pola krytycznego i zwiększenia efektywności transformacji energii, np. poprzez stosowanie kształtowanego impulsu z liniowo narastającym/ opadającym ładunkiem. Rozwiązanie fotoniczne daje wiele możliwości subtelnego kształtowania wiązki, np. otrzymywanie wiązki jednomodowej. Testowane są konfiguracje z dwoma i większą liczbą sprzężonych kapilarnych plazmowych kanałów akceleracyjnych i deceleracyjnych. Front energetyczny i wielkie infrastruktury Technika akceleracji laserowo-plazmowej wydaje się tak skuteczna, że powstają koncepcje budowy na bazie rozwiązań miniaturowych piątej generacji, także wielkich infrastruktur odpowiednich dla dziedziny HEP eksperymentów na froncie wielkich energii. Przyszłościową strukturę zderzacza gamma-gamma klasy TeV/PeV bazującego na PWFA i całkowicie zasilanego fotonicznie, czyli z zastosowaniem laserów wielkiej mocy, wielkiego natężenia wiązki zamiast klistronów RF, przedstawia się w następujący sposób. Kolejność elementów w torze jest: fotoiniektor RF, kompresor, kompaktowy liniak o ekstremalnym natężeniu wiązki, wielogałęziowa symetryczna dwustronna sieć dystrybucji wiązki z zastosowaniem magnetycznych kickerów RF, kilkaset modułów PWFA, punkt interakcji będący konwerterem gamma otoczony de- 49