Microcoulomb-level electron beam and multi-Joule hard X-rays driven by a high-efficiency laser-plasma accelerator

उप-परमाणु कणों की विशाल, अदृश्य दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से प्रकाश का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों की शक्तिशाली किरणें बनाने का तरीका खोज रहे हैं। दशकों तक, मानक विधि में गैस के बादल में लेजर दागना शामिल था जिससे एक तरंग उत्पन्न होती थी, ठीक वैसे ही जैसे पानी में चलती हुई नाव, जो फिर इलेक्ट्रॉनों को पकड़ती और उन्हें अविश्वसनीय गति से त्वरित करती है। यह प्रक्रिया, जिसे लेजर-वेकफील्ड एक्सेलेरेशन (laser-wakefield acceleration) के रूप में जाना जाता है, विशाल, कमरे के आकार की मशीनों की आवश्यकता के बिना उच्च-ऊर्जा कणों को उत्पन्न करने के लिए एक आशाजनक उपकरण रही है। हालांकि, इन कणों की ऊर्जा और उनकी संख्या के बीच संतुलन बनाना एक निरंतर चुनौती रही है। पिछले प्रयोग या तो बहुत ऊर्जावान इलेक्ट्रॉन बना सकते थे या बड़ी मात्रा में इलेक्ट्रॉन, लेकिन शायद ही कभी दोनों एक साथ। इस सीमा ने कई संभावित अनुप्रयोगों को, जैसे कि चिकित्सा इमेजिंग के लिए एक्स-रे के तीव्र विस्फोट बनाने या सितारों के भीतर पाए जाने वाली चरम स्थितियों का अध्ययन करने के लिए, छोटे प्रयोगशालाओं की पहुंच से बाहर रखा है।

फ्रांस के लेजर मेगाजूल (Laser Mégajoule) सुविधा के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समझौते (trade-off) को दूर करने का तरीका प्रदर्शित किया है, जिससे ऐसे इलेक्ट्रॉन बीम उत्पन्न हुए जो अविश्वसनीय रूप से प्रचुर और अत्यधिक ऊर्जावान दोनों हैं। एक विशेष, अत्यंत शक्तिशाली लेजर पल्स का उपयोग करके, जिसे हीलियम गैस की सुपरसोनिक जेट पर केंद्रित किया गया था, वैज्ञानिकों ने एक अनूठा वातावरण बनाया जहाँ दो अलग-अलग त्वरण तंत्र (acceleration mechanisms) एक साथ काम कर रहे थे। परिणाम स्वरूप, एक ऐसा इलेक्ट्रॉन बीम प्राप्त हुआ जिसमें कुल आवेश (charge) इस प्रकार के सेटअप में पहले प्राप्त किसी भी चीज़ से कहीं अधिक था, जिसमें व्यक्तिगत कण 500 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक की ऊर्जा तक पहुँच रहे थे। जब इन इलेक्ट्रॉनों को एक मोटे धातु के लक्ष्य (target) से टकराया गया, तो उन्होंने हार्ड एक्स-रे का एक फ्लैश उत्पन्न किया जो इतना तीव्र था कि इसमें एक सेकंड के अंश में कई जूल के बराबर ऊर्जा थी। यह उपलब्धि बताती है कि कॉम्पैक्ट, उच्च-शक्ति वाले कण स्रोत अब वास्तविकता बन रहे हैं, जो पदार्थ की सबसे घनी अवस्थाओं की जांच करने और उन्नत वैज्ञानिक अध्ययन के लिए माध्यमिक विकिरण स्रोतों को बनाने के नए द्वार खोल रहे हैं।

यह प्रयोग लेजर मेगाजूल में हुआ था, जो फ्रांस में उच्च-ऊर्जा घनत्व भौतिकी (high-energy density physics) का अध्ययन करने के लिए डिज़ाइन किया गया एक विशाल केंद्र है। शोधकर्ताओं ने PETAL नामक एक विशिष्ट लेजर सिस्टम का उपयोग किया, जो प्रकाश का एक पल्स प्रदान करता है जो एक ट्रिलियनवें सेकंड से भी कम समय तक रहता है लेकिन इसमें एक बड़े पावर प्लांट के आउटपुट की टक्कर का पर्याप्त पावर होता है। धातु के ठोस ब्लॉक से टकराने के बजाय, लेजर को सुपरसोनिक गति से चलने वाली हीलियम गैस की धारा में केंद्रित किया गया था। जैसे ही तीव्र लेजर पल्स इस गैस के माध्यम से यात्रा करता है, यह हीलियम परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को अलग कर देता है, जिससे प्लाज्मा बन जाता है। लेजर के प्रचंड बल ने प्लाज्मा इलेक्ट्रॉनों को एक तरफ धकेल दिया, जिससे इसके पीछे एक वेक (wake) बन गया, जो एक स्पीडबोट द्वारा छोड़े गए वेक के समान है। इस वेक में, शक्तिशाली विद्युत क्षेत्र बने, जो किसी भी मुक्त इलेक्ट्रॉन को पकड़ने और त्वरित करने के लिए तैयार थे।

जो बात इस प्रयोग को विशिष्ट बनाती थी, वह थी लेजर पल्स की विशिष्ट टाइमिंग और तीव्रता। पल्स इतनी लंबी थी, लगभग 700 फेम्टोसेकंड की, कि वह गैस के माध्यम से चलते समय जटिल तरीके से इंटरैक्ट कर सके। केवल इलेक्ट्रॉनों को एक सीधी रेखा में धकेलने के बजाय, लेजर पल्स गैस के माध्यम से आगे बढ़ते समय टूटने और दोलन (oscillate) करने लगा। इस स्व-मॉड्यूलेशन (self-modulation) ने एक अराजक लेकिन अत्यधिक प्रभावी वातावरण बनाया जहाँ दो प्रकार के त्वरण एक साथ हुए। पहला पारंपरिक वेकफील्ड एक्सेलेरेशन था, जहाँ इलेक्ट्रॉन प्लाज्मा वेव पर सर्फिंग कर रहे थे। दूसरा डायरेक्ट लेजर एक्सेलेरेशन था, जहाँ इलेक्ट्रॉन लेजर लाइट के दोलनशील विद्युत क्षेत्र में फंस गए और सीधे उससे ऊर्जा प्राप्त की। इन दोनों बलों के संयोजन ने शोधकर्ताओं को भारी संख्या में इलेक्ट्रॉनों को पकड़ने और उन्हें सापेक्षतावादी (relativistic) गति तक त्वरित करने की अनुमति दी, जिससे एक माइक्रोकुलम्ब से अधिक का कुल आवेश प्राप्त हुआ। यह इस प्रकार के लेजर-संचालित सिस्टम के लिए एक रिकॉर्ड-तोड़ मात्रा है, जो शोधकर्ताओं के ज्ञान के अनुसार लेजर-वेकफील्ड एक्सेलेरेटर के लिए अब तक की सबसे अधिक रिपोर्ट की गई चार्ज राशि है।

जो उन्होंने बनाया था उसे मापने के लिए, टीम ने इलेक्ट्रॉन बीम के पथ में डिटेक्टरों की एक श्रृंखला रखी। छह मीटर दूर स्थित एक उपकरण ने चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को मोड़ा और उन्हें ऊर्जा के आधार पर अलग किया, जिससे वैज्ञानिकों को बीम की गति की पूरी रेंज देखने में मदद मिली। उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉनों का ऊर्जा वितरण व्यापक था, जिसमें बड़ी संख्या में कण 500 MeV तक पहुँच रहे थे। एक अन्य डिटेक्टर, जो सीधे बीम के पथ में था, ने इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या को मापा। डेटा ने दिखाया कि बीम में 1.1 माइक्रोकुलम्ब का चार्ज था, एक ऐसा मान जो लेजर-वेकफील्ड एक्सेलेरेटर में पहले कभी नहीं पहुँचा था। शोधकर्ताओं ने अपने कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ इन मापों की पुष्टि की, जिसने लेजर और प्लाज्मा इंटरैक्शन को मॉडल किया, और दिखाया कि प्रायोगिक परिणाम उनके सैद्धांतिक अनुमानों से मेल खाते हैं।

इस इलेक्ट्रॉन बीम की वास्तविक शक्ति तब प्रदर्शित हुई जब इसे इंडियम, आयरन और जिरकोनियम से बनी धातु की प्लेटों के ढेर की ओर निर्देशित किया गया। जब उच्च-गति वाले इलेक्ट्रॉन इन भारी धातुओं से टकराए, तो वे तेजी से धीमे हो गए, जिससे उनकी ऊर्जा हार्ड एक्स-रे के विस्फोट के रूप में निकल पड़ी। ब्रेमस्ट्रालुंग (Bremsstrahlung) नामक यह प्रक्रिया, इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा को फोटॉन बीम में परिवर्तित करती है। परिणामी एक्स-रे फ्लैश अविश्वसनीय रूप से तीव्र था, जिसमें एक पिकोसेकंड से भी कम समय के पल्स में लगभग 3.3 जूल की कुल ऊर्जा थी। यह लेजर ऊर्जा से एक्स-रे ऊर्जा में लगभग दो प्रतिशत की रूपांतरण दक्षता को दर्शाता है, जो पिछले रिकॉर्डों के बराबर या उनसे अधिक है। उत्पादित एक्स-रे इतनी उच्च ऊर्जा के थे कि वे घने पदार्थों में प्रवेश कर सकें, जिससे वे उन्नत इमेजिंग तकनीकों के लिए उपयुक्त बन गए।

इस कार्य का महत्व एक कॉम्पैक्ट सेटिंग में उच्च-चार्ज, उच्च-ऊर्जा बीम उत्पन्न करने की इसकी क्षमता में निहित है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि लेजर और गैस टारगेट को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वे प्लाज्मा की अराजक प्रकृति का मुकाबला करने के बजाय उसका लाभ उठा सकते हैं। उनके द्वारा उत्पन्न इलेक्ट्रॉन बीम केवल एक वैज्ञानिक जिज्ञासा नहीं है; यह एक व्यावहारिक उपकरण है। ऐसे बीमों का उपयोग माध्यमिक विकिरण स्रोतों, जैसे न्यूट्रॉन या गामा किरणों को बनाने के लिए किया जा सकता है, जो परमाणु भौतिकी अनुसंधान और अत्यधिक दबाव और तापमान के तहत पदार्थ के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए आवश्यक हैं। इसके अलावा, लेजर मेगाजूल जैसी बड़ी सुविधा में एकीकृत लेजर सिस्टम के साथ इन बीमों को उत्पन्न करने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब इन इलेक्ट्रॉन बीमों का उपयोग उस पदार्थ की जांच करने के लिए कर सकते हैं जिसे अन्य शक्तिशाली लेजर बीमों द्वारा संकुचित और गर्म किया गया है, जो प्रयोगशाला में सितारों और ग्रहों के कोर की भौतिकी का अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।

टीम ने यह समझने में भी बहुत सावधानी बरती कि बीम के भीतर ऊर्जा कैसे वितरित की गई थी। जबकि ऑन-एक्सिस (on-axis) मापों ने उच्च औसत ऊर्जा दिखाई, कंप्यूटर सिमुलेशन ने खुलासा किया कि बीम यात्रा करते समय काफी फैल जाता है। बीम के बिल्कुल केंद्र में मौजूद इलेक्ट्रॉन सबसे अधिक ऊर्जावान थे, जबकि किनारों पर मौजूद इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा कम थी। इस फैलाव को ध्यान में रखते हुए, शोधकर्ताओं ने गणना की कि पूरे बीम द्वारा ले जाई जाने वाली कुल ऊर्जा लगभग 17 जूल थी। मॉडलिंग और प्रायोगिक डेटा के इस व्यापक दृष्टिकोण ने उन्हें बीम के गुणों की स्पष्ट तस्वीर दी और पुष्टि की कि त्वरण तंत्र उनके संदेह वाले दो प्रक्रियाओं का एक हाइब्रिड था। इस प्रयोग की सफलता बताती है कि लेजर सिस्टम के भविष्य के अपग्रेड, जैसे कि बीम के फोकस में सुधार, इन रूपांतरण दक्षताओं को और भी अधिक बढ़ा सकते हैं।

यह उपलब्धि लेजर-प्लाज्मा एक्सेलेरेशन के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण कदम है, जो इसे व्यावहारिक अनुप्रयोग के करीब लाती है। माइक्रोकुलम्ब-स्तर के इलेक्ट्रॉन बीम और मल्टी-जूल एक्स-रे को एक ही शॉट में उत्पन्न करने की क्षमता वैज्ञानिकों को एक नई क्षमता प्रदान करती है जिन्हें तीव्र, अल्पकालिक विकिरण स्रोतों की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि स्व-मॉड्यूलेटेड वेकफील्ड एक्सेलेरेशन और डायरेक्ट लेजर एक्सेलेरेशन के बीच जटिल परस्पर क्रिया को विश्वसनीय, उच्च-उपज वाले परिणाम उत्पन्न करने के लिए नियंत्रित किया जा सकता है। जैसे-जैसे इन तकनीकों को परिष्कृत और बड़ी सुविधाओं में एकीकृत किया जाएगा, वे खगोल भौतिकी, परमाणु विज्ञान और सामग्री अनुसंधान में नए प्रयोगों को सक्षम करने का वादा करती हैं, जिससे मानवता को ब्रह्मांड के मौलिक कामकाज को गहराई से देखने में मदद मिलेगी। एक अराजक प्लाज्मा जेट से एक नियंत्रित, उच्च-ऊर्जा बीम तक का मार्ग अब अधिक स्पष्ट है, जो अगली पीढ़ी के कण स्रोतों के लिए रास्ता साफ कर रहा है।