Compactar tudo

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16017 (2022) Cite este artigo

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Feixes de raios X brilhantes prontamente disponíveis com largura de banda estreita e energia sintonizável prometem desbloquear novos desenvolvimentos em uma ampla gama de aplicações. Entre as alternativas emergentes às fontes de radiação atuais de grande escala e caras, que restringem severamente a disponibilidade de tais feixes, as fontes compactas de espalhamento Compton inverso acionadas por acelerador de plasma a laser mostram grande potencial. No entanto, essas fontes estão atualmente limitadas a larguras de banda de dezenas de por cento, inaceitavelmente grandes para muitos aplicativos. Aqui, mostramos conceitualmente que, usando lentes de plasma ativas para adaptar a interação elétron-fóton, raios-X sintonizáveis ​​e feixes gama com larguras de banda de nível percentual podem ser produzidos. A energia de raios-X central é ajustável variando a força de foco da lente, sem alterar as propriedades do feixe de elétrons, permitindo o ajuste preciso da energia do feixe de raios-X. Este método é um desenvolvimento chave para fontes de fótons de femtossegundos de banda estreita acionadas por acelerador de plasma a laser, permitindo uma mudança de paradigma e proliferação de aplicações compactas de raios-X.

Desde a demonstração da imagem de raios X por Röntgen em 18951, o desenvolvimento de fontes brilhantes de raios X permitiu aproveitar o poder dos raios X em campos de pesquisa e aplicações em constante evolução e ampliação, levando a enormes avanços em tópicos tão variados quanto modalidades avançadas de imagem2,3,4,5 e radioterapia6,7,8,9, bem como em aplicações de cristalografia10,11,12,13. Exemplos de avanços médicos baseados em fontes brilhantes de raios-X incluem imagens de subtração K-edge (KES)14, uma alternativa potencial à angiografia por subtração digital, bem como imagens de fluorescência de raios-X (XFI)15, permitindo estudos farmacocinéticos in vivo. Essas modalidades avançadas de diagnóstico e tratamento colocam requisitos rígidos na largura de banda de raios X: KES requer larguras de banda de raios X de nível percentual com ajuste de energia de precisão acima e abaixo de uma borda K (80,7 keV para ouro), com separações de energia menores levando a menores dose16. De fato, muitas outras aplicações, como cristalografia serial10,12, exigem larguras de banda de nível percentual em dezenas de keVs. Além disso, a duração do pulso de raios-X de femtosegundo e o baixo jitter para sistemas de laser de pulso curto permitem estudos de sonda de bomba com resolução de tempo11 e a investigação de matéria sob condições extremas17. Para esses e muitos outros casos de uso18,19, uma fonte compacta de raios X de radiação de banda estreita sintonizável com precisão poderia desencadear um progresso disruptivo e catalisar sua adoção em aplicações de alta relevância social.

A frequência final \(\omega _\mathrm {x}\) de um fóton com frequência inicial \(\omega _\mathrm {L}\) espalhada por Compton de um elétron de energia \(\gamma _e m_ec^2\ ), ignorando a perda de energia do elétron, é dado por 20

onde \(\theta _I\) e \(\theta _O\) são os ângulos de dispersão e observação, respectivamente, \(\beta =\sqrt{1-\gamma _e^{-2}}\) com fator de Lorentz do elétron \(\gama _e\). \(a=q_eA/m_ec\) é o potencial do vetor do laser normalizado com valor de pico \(a_0\), onde A é o potencial do vetor do campo do laser, c é a velocidade da luz e \(q_e\) e \( m_e\) são carga elementar e massa do elétron, respectivamente. Para \(\gamma _e \gg 1\), \(\theta _I\simeq \pi\) e \(a_0\ll 1\), a frequência central observada no eixo de propagação do feixe de elétrons é \(\omega _\ mathrm {x} \simeq 4\gamma _e^2 \omega _\mathrm {L}\). A largura de banda axial do feixe de raios-X espalhado (ver "Métodos") surge predominantemente da propagação da energia do feixe de elétrons \(\delta \gamma _e\) e divergência \(\sigma _\theta\)21,22, juntamente com uma contribuição de permille para nível percentual da largura de banda do laser \(\delta \omega _\text {L}\).

A geração de feixes de raios-X de largura de banda estreita requer, portanto, um feixe de elétrons com propagação e divergência de energia muito baixa, levando a fontes de espalhamento Compton inverso (ICS) de banda estreita demonstradas anteriormente com aceleradores convencionais23,24. Os espectros de elétrons quase monoenergéticos da aceleração de plasma a laser (LPA) permitiram a demonstração de fontes ICS totalmente ópticas extremamente compactas e sintonizáveis ​​com espectros de fótons de pico25,26,27. No entanto, com a energia central e a largura de banda do feixe de raios-X derivados diretamente das propriedades do grupo de elétrons, a divergência miliradiana e \(\gtrsim {10}\,{\%}\) propagação de energia relativa resulta em larguras de banda de raios-X demonstradas de dezenas de percent25,26,27,28, inaceitavelmente grande para todas as aplicações discutidas acima. LPAs de última geração que fornecem spreads de energia de 2 a 3% FWHM29,30 resultariam em pulsos de raios X com pelo menos 4 a 6% de largura de banda FWHM, muito grandes para KES.