Småskalig röntgenstrålning utmanar stora elektronacceleratorer

Laserbaserad röntgenstrålning är en ny teknik som ger kortare pulslängd och är billigare jämfört med stora partikelaccelerator-anläggningar, dock med lägre fotonantal. En ny studie som har publicerats i Nature Physics, har forskare i Lund i samarbete med Umeåfysiker László Veisz, gjort dessa röntgenstrålar mer fokuserade.

Röntgenstrålning gör det möjligt att undersöka struktur och sammansättning av olika material, biomolekyler och till och med celler. På så sätt spelar röntgenstrålning en grundläggande roll inom forskning, industri och sjukvård. Laserbaserade röntgenstrålar avges av högenergielektroner, vanligtvis från en partikelaccelerator som den enorma MAX IV-anläggningen utanför Lund i Sverige. Ett annat exempel är den 27 kilometer långa LHC-acceleratorn vid CERN i Schweiz.

Ju mindre saker man ska studera, desto högre energi behöver partiklarna ha, och då krävs längre accelerationssträckor. Därför byggs acceleratorerna större och större.

Nyligen har det utvecklats alternativ teknik som kan producera röntgenstrålar med hjälp av laser – med utrustning som ryms i ett rum. Fördelen med dessa ”table top” är att de kan uppnå mer än 1000 gånger högre partikelenergier för en given accelerationssträcka, vilket möjliggör kortare och även prisvärda acceleratorer. Hög effekt elektrongrupper genereras i väldigt korta varaktighet.

Sammantaget verkar det vara en lovande framtida acceleratorteknik som komplement till de stora anläggningarna.

Den nya tekniken handlar om mycket intensiva laserpulser som är fokuserade i en gasstråle, där den joniserar gasen producerar en blandning av elektroner och joner, en så kallad plasma. Vidare genererar de också plasmavågor, där man kan få elektronerna att oscillera.

–Plasmavågorna är effektiva elektronelacceleratorer med superstarka accelererande elektriska fält, förklarar László Veisz, professor vid Institutionen för fysik vid Umeå universitet.

De relativistiska elektronerna som accelererar och oscillerar in i plasmavågorna, avger röntgenstrålning som är upp till 100 gånger kortare än deras konventionella storskaliga motsvarigheter som normalt är större än 100 meter i storlek. Plasmasvågorna kan under vissa förhållanden fungera som starka linser för elektronstrålarna, vilket får dem att sända ut röntgenstrålning i en snäv kon.

Ett team av fysiker från universiteten i Lund och Göteborg tillsammans med professor László Veisz vid Relativistic Attosecond Physics Laboratory vid Umeå universitet har funnit en teknik som ökar intensiteten och gör strålen fokuserad under en längre sträcka, en egenskap som är ett grundläggande krav för många tillämpningar såsom filmning via tidsupplöst röntgendiffraktion och absorptionsspektroskopi.

– Vi gjorde upptäckten i laserlaboratoriet genom att accelerera elektroner med en laser i en första gasstråle och sedan fokusera dem igen med en lins som bildats i en andra gasstråle. Under denna omfokusering avges unika parallella och ultrakorta röntgenstrålar, optimala för applikationer som kräver ett måttligt antal fotoner, säger László Veisz.