Моделирование: рентгеновский лазер на плазменном ускорителе даёт многогигаваттные импульсы в «водяном окне»
Расчёты групп из Дюссельдорфа, ELI Beamlines и Стратклайда указывают на метровый источник лазерных рентгеновских импульсов «водяного окна» для изучения биообразцов.
Европейская группа из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU), центра ELI Beamlines в Долни-Бржежани (Чехия) и Университета Стратклайда опубликовала сквозное моделирование компактного рентгеновского лазера на свободных электронах для «водяного окна». Статья вышла в Nature Communications 5 ноября 2026 года и доступна на nature.com nature.com
nature.comnature.comОткрыть источник ↗. Схема сочетает плазменный кильватерный ускоритель метрового масштаба и ондулятор длиной около метра. Результаты расчётные: авторы показали их в модельных симуляциях.
Почему важно «водяное окно»
«Водяное окно» охватывает рентгеновские длины волн примерно от 2,3 до 4,4 нанометра. Биологические системы в основном состоят из воды, а биомолекулы содержат такие атомы, как углерод и азот. В этом диапазоне вода прозрачна, а остальные атомы сильно поглощают излучение, поэтому он подходит для изучения образцов в естественной водной среде nature.com
nature.comnature.comОткрыть источник ↗.
До сих пор излучение нужного качества и интенсивности в этом диапазоне давали только лазеры на свободных электронах в крупных ускорительных комплексах. Бернхард Хиддинг из HHU, автор для переписки, отметил, что исследователям приходилось пользоваться километровыми установками на обычных ускорителях электронов. Команда предлагает вместо них компактный ускоритель на лазерно-плазменной технологии.
Как устроена схема
В смоделированной конструкции плазменный фотокатод высвобождает электронный пучок со сверхмалым эмиттансом внутри плазменного кильватерного ускорителя метрового масштаба nature.com
nature.comnature.comОткрыть источник ↗. Подбором заряда пучка пространственный заряд уравновешивает поля пучка и кильватерные поля. По данным авторов, это уменьшает разброс энергии и повышает стабильность энергии, что критично для вывода пучка, его транспортировки и фокусировки в ондулятор.
Получаемые сверхъяркие пучки дают перестраиваемые по длине волны когерентные фотонные импульсы фемтосекундного масштаба при сильном усилении. Авторы сообщают о надёжной генерации рентгеновских лазерных импульсов многогигаваттного класса во всём «водяном окне». Перестройка достигается зарядом ведомого пучка, а результат устойчив к изменениям силы кильватерного поля и к дрожанию лазера плазменного фотокатода nature.com
nature.comnature.comОткрыть источник ↗.
В лазерно-плазменном ускорителе мощный лазерный импульс создаёт в газе плазменную волну, способную разогнать электроны почти до скорости света на нескольких сантиметрах. В HHU для разработок в этом направлении используется лазер Arcturus. Авторы заявляют, что результаты могут расширить доступ к когерентному мощному мягкому рентгеновскому излучению.
