Een internationale groep onderzoekers, waaronder wetenschappers van Skoltech, hebben een nieuwe methode uitgevonden voor het genereren van intense röntgen- en gammastraling op basis van niet-lineaire Compton-verstrooiing. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Het Compton-effect is vergelijkbaar met tennis; een elektron speelt de rol van het racket en een foton speelt de rol van de bal. Een foton dat wordt gereflecteerd door het snelle elektronenracket, krijgt extra energie. Het kan niet nog sneller vliegen - de snelheidslimiet verbiedt dat. Maar het kan gemakkelijk van golflengte veranderen. Met behulp van dit eenvoudige spel, onderzoekers kunnen de golflengte van het binnenkomende foton transformeren van het zichtbare bereik naar röntgen- en gammastraling. Harde fotonenbronnen op basis van inverse (lineaire) Compton-verstrooiing worden veel gebruikt, en bestaan ​​typisch uit een elektronenversneller en een lasersysteem. Het belangrijkste voordeel van dergelijke bronnen is de mogelijkheid om straling met een smalle bandbreedte te genereren. In een dergelijk systeem, de golflengte is gemakkelijk af te stemmen door de energie van de elektronen te veranderen.

De eenvoudigste manier om het aantal gegenereerde röntgen- en gammafotonen te vergroten, is door de intensiteit van het lasersysteem te verhogen. Met andere woorden, hoe dichter de laserstraling in de ruimte is verpakt (aangezien de diffractie klein is), hoe meer verstrooiingsgebeurtenissen tussen laserfotonen en elektronen er zullen zijn.

Het vergroten van het vermogen van de laserstraling bij Compton-verstrooiing leidt tot een aanzienlijke spectrale verbreding. Dit komt door de lichte druk, wat de elektronen afremt. Met andere woorden, het tennisracket, terwijl hij veel kleine tennisballen tegelijk afbuigt, wordt vertraagd; Vandaar, de afgebogen ballen krijgen minder energie. Het probleem is dat krachtige laserstraling niet continu is, maar komt eerder als pulsen in de tijd. De intensiteit van krachtige laserpulsen groeit eerst langzaam en sterft dan langzaam uit. Bijgevolg, de lichtdruk is niet-uniform en de vertraging van de elektronen is verschillend op verschillende momenten, wat leidt tot verschillende energie van gereflecteerde fotonen.

Het wetenschappelijke team, waaronder Skoltech-professor Sergey Rykovanov, vond een nieuwe methode uit voor het genereren van intense mono-energetische röntgen- en gammastraling op basis van niet-lineaire Compton-verstrooiing.

Sergej Rykovanov, een professor van Skoltech's Centre for Computational and Data-Intensive Science and Engineering, zegt, "Zo'n spectraallijnverbreding is parasitair, omdat we een fotonenbron met een smalle bandbreedte willen verkrijgen met een goed gedefinieerde golflengte. We hebben een zeer eenvoudige methode uitgevonden om de parasitaire Compton-lijnverbreding voor intense laserpulsen te verwijderen en het aantal gegenereerde X- en gammastraalfotonen aanzienlijk te verhogen. Om dit te doen, men moet de frequentie van de laserpuls zorgvuldig afstemmen (met andere woorden, om het te tjilpen) zodat het overeenkomt met de intensiteit van de laserpuls op elk moment. Voor een optimaal effect, we stelden voor om twee lineair en tegengesteld getjilpte laserpulsen te gebruiken die zich met een zekere vertraging naar elkaar voortplanten. Naar mijn mening, de schoonheid van ons werk zit in zijn eenvoud. Om helemaal eerlijk te zijn, we waren zeer verrast hoe eenvoudig en soepel alles verliep."

De nieuwe uitvinding kan de helderheid van moderne en toekomstige synchrotronbronnen voor medisch onderzoek aanzienlijk verhogen, kernfysica en materiaalkunde.