Laser de elétrons livres - Free-electron laser

O laser de elétrons livres FELIX Radboud University, Holanda.

Um laser de elétrons livres ( FEL ) é uma fonte de luz síncrotron (quarta geração) que produz pulsos extremamente brilhantes e curtos de radiação síncrotron. Um FEL funciona e se comporta de várias maneiras como um laser , mas em vez de usar emissão estimulada de excitações atômicas ou moleculares, ele emprega elétrons relativísticos como meio de ganho . A radiação síncrotron é gerada quando um monte de elétrons passa por uma estrutura magnética (chamada de ondulador ou wiggler ). Em um FEL, essa radiação é ainda mais amplificada conforme a radiação síncrotron re-interage com o feixe de elétrons de forma que os elétrons comecem a emitir coerentemente, permitindo assim um aumento exponencial na intensidade geral da radiação.

Como a energia cinética do elétron e os parâmetros do ondulador podem ser adaptados conforme desejado, os lasers de elétrons livres são sintonizáveis e podem ser construídos para uma faixa de frequência mais ampla do que qualquer tipo de laser, atualmente variando em comprimento de onda de microondas , através de radiação terahertz e infravermelho , para o visível espectro , ultravioleta e raio-X .

Representação esquemática de um ondulador , no núcleo de um laser de elétrons livres.

O primeiro laser de elétrons livres foi desenvolvido por John Madey em 1971 na Universidade de Stanford, utilizando tecnologia desenvolvida por Hans Motz e seus colegas de trabalho, que construíram um ondulador em Stanford em 1953, usando a configuração magnética wiggler . Madey usou um feixe de elétrons de 43 MeV e um wiggler de 5 m de comprimento para amplificar um sinal.

Criação de feixe

O ondulador de FELIX .

Para criar um FEL, um feixe de elétrons é acelerado até quase a velocidade da luz . O feixe passa por um arranjo periódico de ímãs com pólos alternados ao longo do caminho do feixe, o que cria um campo magnético lateral . A direção do feixe é chamada de direção longitudinal, enquanto a direção através do caminho do feixe é chamada de transversal. Essa matriz de ímãs é chamada de ondulador ou wiggler , porque a força de Lorentz do campo força os elétrons no feixe a se mexerem transversalmente, viajando ao longo de um caminho sinusoidal em torno do eixo do ondulador.

A aceleração transversal dos elétrons neste caminho resulta na liberação de fótons ( radiação síncrotron ), que são monocromáticos, mas ainda incoerentes, porque as ondas eletromagnéticas de elétrons distribuídos aleatoriamente interferem de forma construtiva e destrutiva no tempo. O poder de radiação resultante é dimensionado linearmente com o número de elétrons. Espelhos em cada extremidade do ondulador criam uma cavidade óptica , fazendo com que a radiação forme ondas estacionárias ou, alternativamente, um laser de excitação externo é fornecido. A radiação síncrotron torna-se suficientemente forte para que o campo elétrico transversal do feixe de radiação interaja com a corrente de elétrons transversa criada pelo movimento de oscilação sinusoidal, fazendo com que alguns elétrons ganhem e outros percam energia para o campo óptico por meio da força ponderomotriz .

Essa modulação de energia evolui para modulações de densidade de elétrons (corrente) com um período de um comprimento de onda óptico. Os elétrons são, assim, aglomerados longitudinalmente em microbunches , separados por um comprimento de onda óptico ao longo do eixo. Enquanto um ondulador sozinho faria com que os elétrons irradiassem independentemente (incoerentemente), a radiação emitida pelos elétrons agrupados está em fase e os campos se somam de forma coerente .

A intensidade da radiação aumenta, causando microbunching adicional dos elétrons, que continuam a irradiar em fase uns com os outros. Este processo continua até que os elétrons sejam completamente micro-perfurados e a radiação alcance uma potência saturada várias ordens de magnitude maior do que a da radiação ondulatória.

O comprimento de onda da radiação emitida pode ser prontamente ajustado ajustando a energia do feixe de elétrons ou a intensidade do campo magnético dos onduladores.

FELs são máquinas relativísticas. O comprimento de onda da radiação emitida,, é dado por

ou quando o parâmetro de força do wiggler K , discutido abaixo, é pequeno

onde é o comprimento de onda do ondulador (o período espacial do campo magnético), é o fator de Lorentz relativístico e a constante de proporcionalidade depende da geometria do ondulador e é da ordem de 1.

Essa fórmula pode ser entendida como uma combinação de dois efeitos relativísticos. Imagine que você está sentado em um elétron passando pelo ondulador. Devido à contração de Lorentz, o ondulador é encurtado por um fator e o elétron experimenta um comprimento de onda do ondulador muito mais curto . No entanto, a radiação emitida neste comprimento de onda é observada no quadro de referência do laboratório e o efeito Doppler relativístico traz o segundo fator para a fórmula acima. Em um FEL de raios-X, o comprimento de onda do ondulador típico de 1 cm é transformado em comprimentos de onda de raios-X da ordem de 1 nm por ≈ 2.000, ou seja, os elétrons têm que viajar com a velocidade de 0,9999999 c .

Parâmetro de força Wiggler K

K , um parâmetro adimensional , define a força do wiggler como a relação entre o comprimento de um período e o raio de curvatura,

onde é o raio de curvatura, é o campo magnético aplicado, é a massa do elétron e é a carga elementar .

Expresso em unidades práticas, o parâmetro ondulador adimensional é .

Efeitos quânticos

Na maioria dos casos, a teoria do eletromagnetismo clássico explica adequadamente o comportamento dos lasers de elétrons livres. Para comprimentos de onda suficientemente curtos, os efeitos quânticos de recuo do elétron e ruído de disparo podem ter que ser considerados.

Construção FEL

Os lasers de elétrons livres requerem o uso de um acelerador de elétrons com sua proteção associada, pois os elétrons acelerados podem representar um perigo de radiação se não forem contidos de forma adequada. Esses aceleradores são normalmente alimentados por clístrons , que requerem uma fonte de alta tensão. O feixe de elétrons deve ser mantido em vácuo , o que requer o uso de várias bombas de vácuo ao longo do caminho do feixe. Embora este equipamento seja volumoso e caro, os lasers de elétrons livres podem atingir potências de pico muito altas, e a sintonia dos FELs os torna altamente desejáveis ​​em muitas disciplinas, incluindo química, determinação da estrutura de moléculas em biologia, diagnóstico médico e testes não destrutivos .

FELs infravermelhos e terahertz

O Instituto Fritz Haber em Berlim concluiu um FEL de infravermelho médio e terahertz em 2013.

FELs de raios-X

A falta de um material para fazer espelhos que possam refletir ultravioleta e raios-x extremos significa que os FELs nessas frequências não podem usar uma cavidade ressonante como outros lasers, que refletem a radiação, fazendo várias passagens pelo ondulador. Consequentemente, em um FEL de raios-X (XFEL), o feixe de saída é produzido por uma única passagem de radiação através do ondulador . Isso requer que haja amplificação suficiente em uma única passagem para produzir um feixe com brilho adequado.

Por causa da falta de espelhos, os XFELs usam onduladores longos. O princípio subjacente aos pulsos intensos do laser de raios-X está no princípio da emissão espontânea autoamplificada (SASE), que leva ao microbunching. Inicialmente, todos os elétrons são distribuídos uniformemente e emitem apenas radiação espontânea incoerente. Por meio da interação dessa radiação e das oscilações dos elétrons , eles derivam para microbunches separados por uma distância igual a um comprimento de onda da radiação. Por meio dessa interação, todos os elétrons começam a emitir radiação coerente em fase. Toda radiação emitida pode se reforçar perfeitamente, de forma que as cristas e os vales das ondas estão sempre sobrepostos uns aos outros da melhor maneira possível. Isso resulta em um aumento exponencial da potência da radiação emitida, levando a altas intensidades de feixe e propriedades semelhantes às do laser. Exemplos de instalações que operam no princípio SASE FEL incluem o Free electron LASer em Hamburgo ( FLASH ), a Linac Coherent Light Source (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory , o laser europeu de elétrons livres de raios-X (EuXFEL) em Hamburgo, o SPring-8 Compact SASE Source (SCSS) no Japão, SwissFEL no Paul Scherrer Institute (Suíça), SACLA no RIKEN Harima Institute no Japão e PAL-XFEL (Pohang Accelerator Laboratory X-ray Free-Electron Laser) na Coreia.

Auto-semeadura

Um problema com SASE FELs é a falta de coerência temporal devido a um processo de inicialização ruidoso . Para evitar isso, pode-se "semear" um FEL com um laser sintonizado na ressonância do FEL. Essa semente temporalmente coerente pode ser produzida por meios mais convencionais, como por geração de alta harmônica (HHG) usando um pulso de laser óptico. Isso resulta na amplificação coerente do sinal de entrada; com efeito, a qualidade do laser de saída é caracterizada pela semente. Embora as sementes de HHG estejam disponíveis em comprimentos de onda até o ultravioleta extremo, a semeadura não é viável em comprimentos de onda de raios-X devido à falta de lasers convencionais de raios-X.

No final de 2010, na Itália, a fonte FEL semeada FERMI @ Elettra iniciou o comissionamento, no Laboratório de Síncrotron de Trieste . FERMI @ Elettra é uma instalação do usuário FEL de passagem única que cobre a faixa de comprimento de onda de 100 nm (12 eV) a 10 nm (124 eV), localizada próxima à instalação de radiação síncrotron de terceira geração ELETTRA em Trieste, Itália.

Em 2012, os cientistas que trabalhavam no LCLS superaram a limitação de semeadura para comprimentos de onda de raios-X, semeando automaticamente o laser com seu próprio feixe após ser filtrado por um monocromador de diamante . A intensidade resultante e a monocromaticidade do feixe foram sem precedentes e permitiram que novos experimentos fossem conduzidos envolvendo a manipulação de átomos e moléculas de imagem. Outros laboratórios ao redor do mundo estão incorporando a técnica em seus equipamentos.

Pesquisa

Biomédico

Pesquisa básica

Os pesquisadores exploraram os lasers de elétrons livres como uma alternativa às fontes de luz síncrotron que têm sido os burros de carga da cristalografia de proteínas e da biologia celular .

Raios-X excepcionalmente brilhantes e rápidos podem gerar imagens de proteínas usando cristalografia de raios-X . Esta técnica permite a imagem pela primeira vez de proteínas que não se empilham de uma forma que permite a imagem por técnicas convencionais, 25% do número total de proteínas. Resoluções de 0,8 nm foram alcançadas com durações de pulso de 30 femtossegundos . Para obter uma visão clara, é necessária uma resolução de 0,1–0,3 nm. A curta duração do pulso permite que as imagens dos padrões de difração de raios-X sejam gravadas antes que as moléculas sejam destruídas. Os raios X brilhantes e rápidos foram produzidos na Linac Coherent Light Source no SLAC. Em 2014, o LCLS era o FEL de raios-X mais poderoso do mundo.

Devido ao aumento das taxas de repetição das fontes FEL de raios-X de próxima geração, como o XFEL europeu , o número esperado de padrões de difração também deverá aumentar em uma quantidade substancial. O aumento no número de padrões de difração colocará uma grande pressão sobre os métodos de análise existentes. Para combater isso, vários métodos têm sido pesquisados ​​a fim de ser capaz de classificar a enorme quantidade de dados que os experimentos FEL típicos de raios-X irão gerar. Embora os vários métodos tenham se mostrado eficazes, é claro que para abrir o caminho para a imagem FEL de raios-X de partícula única em taxas de repetição total, vários desafios devem ser superados antes que a próxima revolução de resolução possa ser alcançada.

Novos biomarcadores para doenças metabólicas: aproveitando a seletividade e a sensibilidade ao combinar a espectroscopia de íons infravermelhos e a espectrometria de massa, os cientistas podem fornecer uma impressão digital estrutural de pequenas moléculas em amostras biológicas, como sangue ou urina. Esta metodologia nova e única está gerando novas possibilidades estimulantes para melhor compreender as doenças metabólicas e desenvolver novas estratégias diagnósticas e terapêuticas.

Cirurgia

Pesquisa por Glenn Edwards e colegas no FEL Center da Universidade de Vanderbilt em 1994 descobriu que tecidos moles, incluindo pele, córnea e tecido cerebral podem ser cortados, ou ablacionados , usando comprimentos de onda FEL infravermelho em torno de 6,45 micrômetros com dano colateral mínimo ao tecido adjacente. Isso levou a cirurgias em humanos, as primeiras usando um laser de elétrons livres. A partir de 1999, Copeland e Konrad realizaram três cirurgias nas quais ressecaram tumores cerebrais de meningioma . No início de 2000, Joos e Mawn realizaram cinco cirurgias que cortaram uma janela na bainha do nervo óptico , para testar a eficácia da fenestração da bainha do nervo óptico . Essas oito cirurgias produziram resultados consistentes com o padrão de atendimento e com o benefício adicional de danos colaterais mínimos. Uma revisão dos FELs para uso médico é fornecida na 1ª edição do Tunable Laser Applications.

Remoção de gordura

Vários pequenos lasers clínicos sintonizáveis ​​na faixa de 6 a 7 micrômetros com estrutura de pulso e energia para causar danos colaterais mínimos em tecidos moles foram criados. Em Vanderbilt, existe um sistema deslocado Raman bombeado por um laser Alexandrite.

Rox Anderson propôs a aplicação médica do laser de elétrons livres para derreter gorduras sem prejudicar a pele subjacente. Em comprimentos de onda infravermelhos , a água no tecido foi aquecida pelo laser, mas em comprimentos de onda correspondentes a 915, 1210 e 1720 nm , os lipídios de subsuperfície foram aquecidos diferencialmente com mais força do que a água. As possíveis aplicações desta fototermólise seletiva (aquecimento de tecidos usando luz) incluem a destruição seletiva de lipídios do sebo para tratar acne , bem como direcionar outros lipídios associados à celulite e gordura corporal, bem como placas de gordura que se formam nas artérias que podem ajudar a tratar a aterosclerose e doenças cardíacas .

Militares

A tecnologia FEL está sendo avaliada pela Marinha dos Estados Unidos como candidata a uma arma antiaérea e antimísseis de energia direcionada . O FEL do Thomas Jefferson National Accelerator Facility demonstrou uma potência de saída de mais de 14 kW. As armas FEL compactas da classe de multi-megawatts estão sendo pesquisadas. Em 9 de junho de 2009, o Office of Naval Research anunciou que havia concedido à Raytheon um contrato para desenvolver um FEL experimental de 100 kW. Em 18 de março de 2010, a Boeing Directed Energy Systems anunciou a conclusão de um projeto inicial para uso naval dos EUA. Um protótipo de sistema FEL foi demonstrado, com um protótipo de potência total programado para 2018.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos