Các nhà nghiên cứu từ Skoltech, MEPhI và Viện Nghiên cứu Tự động hóa Toàn Nga Dukhov đã đề xuất một phương pháp mới để tạo ra các nguồn tia gamma nhỏ gọn, sáng hơn, sắc nét hơn và có khả năng phát đa sắt. Khám phá này mở rộng khả năng hỗ trợ chẩn đoán y học chính xác hơn, cải thiện việc kiểm tra vật liệu và thậm chí là sản xuất đồng vị trực tiếp trong phòng thí nghiệm. Công trình đã được công bố Tạp chí Physical Review A.
Tia gamma được tạo ra bằng laser và chùm electron là một trong những công nghệ bức xạ có nhiều ứng dụng nhất hiện nay. Tuy nhiên, cho đến nay chúng vẫn có một nhược điểm lớn đó là phổ phát xạ quá “mờ”. Điều này làm giảm độ sáng và độ chính xác, hạn chế ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực cần độ rõ nét cao như soi chiếu vật liệu dày hoặc chẩn đoán hình ảnh y tế. Các nhà khoa học thấy rằng bằng cách “ghép chồng” nhiều xung laser ngắn thành một chuỗi có hình dạng chính xác, họ có thể triệt tiêu sự mở rộng phổ vốn đã hạn chế các nguồn Compton phi tuyến tính (Thomson) và thậm chí tạo ra các chùm tia gamma đa màu đồng thời từ một tương tác duy nhất.
Khi một chùm electron năng lượng cao va chạm trực diện với một xung laser cường độ cao, các electron sẽ tán xạ ánh sáng và phát ra tia X hoặc tia gamma. Quá trình này được gọi là tán xạ ngược Compton. Các nguồn laser như vậy có thể nhỏ gọn, điều chỉnh được và có phổ “sạch” hơn nhiều so với các nguồn bức xạ hãm thông thường và khiến chúng trở nên phù hợp đối với quang tử hạt nhân và kiểm tra không phá hủy các vật thể đặc, hình ảnh y tế hay sản xuất đồng vị, nghiên cứu cấu trúc nano và vật liệu, chẩn đoán vật chất mật độ cao. Ở cường độ laser rất cao (còn gọi là chế độ Compton phi tuyến), các electron chịu tác động ánh sáng mạnh và phát ra bức xạ ở bậc cao hơn của tần số laser. Về nguyên tắc, điều này sẽ cho phép tạo ra các vạch tia gamma sáng, hẹp, nhưng trên thực tế, sự thay đổi cường độ laser trên một xung gây ra sự mở rộng phổ do lực quán tính, làm nhòe các vạch và giảm độ sáng.
So sánh định hình xung laser và tác động của nó đến lượng bức xạ phát ra. Hình ảnh điện trường theo thời gian được hiển thị cho một chuỗi 10 xung Gaussian ngắn được kết hợp (chồng lên nhau), so với một xung ngắn đơn lẻ và một xung Gaussian đơn lẻ có cùng biên độ và tổng năng lượng như chuỗi kết hợp. (Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Skolkovo).
Công trình nghiên cứu mới này giải quyết nút thắt cổ chai đó bằng cách điều chỉnh hình dạng thời gian của trường laser. Thay vì một xung Gaussian mượt và duy nhất, các nhà nghiên cứu đã cộng dồn (“xếp chồng”) nhiều xung ngắn giống hệt nhau với độ trễ được kiểm soát, tạo ra một đường bao tổng thể gần giống với xung đỉnh phẳng (hình chữ nhật) lý tưởng hơn nhiều.
Việc xếp chồng liên tục 10 xung Gaussian có cường độ vừa phải tạo ra một điện trường gần như phẳng (đường cong màu đen) so với một xung dài đơn lẻ có cùng tổng năng lượng (đường cong màu xanh). Với cùng cường độ điện trường đỉnh, xung xếp chồng tạo ra số lượng photon nhiều hơn khoảng ba lần trong phạm vi ± 1% của đỉnh phổ so với xung Gaussian dài đơn lẻ. Thước đo trực tiếp đã cho thấy độ sáng phổ tăng lên. Ý tưởng rất đơn giản về mặt khái niệm: thay vì một tia sáng “hình chuông” duy nhất, các nhà nghiên cứu tạo ra một “đỉnh phổ” ánh sáng phẳng từ nhiều tia sáng nhỏ hơn. Khi đó, các electron sẽ có cường độ gần như không đổi trong khi phát xạ, điều này ngăn chặn sự mở rộng phi tuyến tính thường thấy của vạch tia gamma.
Phổ tán xạ ngược Compton được chuẩn hóa tương ứng, minh họa cách cấu trúc xung định hình lại sự phân bố năng lượng phát ra. (Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Skolkovo).
Ngoài việc thu hẹp phổ, kỹ thuật xếp chồng xung còn cho phép phát xạ đa màu. Trong một cấu hình khác, các nhà nghiên cứu chia chuỗi xung thành ba nhóm với biên độ khác nhau, tạo ra một đường bao “hình bậc thang” – về cơ bản là ba bậc thang cường độ phẳng theo thời gian. Khi một chùm electron tương tác với xung bậc thang như vậy, phổ tia gamma thu được sẽ tự nhiên tách thành ba đỉnh riêng biệt, mỗi đỉnh tương ứng với một mức cường độ. Nói cách khác, một va chạm laser-electron duy nhất có thể tạo ra nhiều màu tia gamma được xác định chính xác cùng một lúc. Điều quan trọng là, những màu sắc đa dạng này là dấu ấn trực tiếp của chế độ Compton phi tuyến tính: mỗi bậc thang cường độ in dấu vạch phổ riêng của nó, điều mà đơn giản là không xảy ra trong giới hạn tán xạ tuyến tính (photon đơn). Các chùm tia đa màu đồng thời như vậy hứa hẹn cho việc “nhận dạng” quang phổ của vật liệu và khả năng thăm dò các mẫu phức tạp mà năng lượng photon đơn không đủ. Bằng cách lựa chọn độ cao và thời gian của mỗi bước, có thể thiết kế màu sắc tia gamma xuất hiện và cường độ của chúng.
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng khung lý thuyết này có thể đóng vai trò như một hệ thống thử nghiệm kỹ thuật số để khám phá các thiết kế xung và chiến lược điều khiển, bao gồm cả các phương pháp trí tuệ nhân tạo, trước khi đầu tư vào phần cứng đắt tiền. Công trình này có liên quan trực tiếp đến dự án bức xạ Compton cường độ cao (ICR) của Trung tâm Vật lý và Toán học Quốc gia (NCPM) ở Nga, nhằm mục đích xây dựng nguồn tia gamma băng hẹp thế hệ tiếp theo. Các mô phỏng được thực hiện trên siêu máy tính “Zhores” của Skoltech. Kỹ thuật xếp chồng xung kết nối công nghệ laser tiên tiến với nhu cầu của các nguồn Compton phi tuyến tính, cho thấy rằng với khả năng kiểm soát thực tế về thời gian, pha và biên độ, có thể tiến tới các nguồn tia gamma nhỏ gọn với độ sáng phổ kỷ lục.
Từ khóa: gamma;
– CMD –
