मुक्त इलेक्ट्रॉन लेज़र एवं उपयोगिता अनुभाग

अवरक्त मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर (IR-FEL) का डिजाइन और विकास

RRCAT में मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर (FEL) पर एक दीर्घकालिक, तीन-चरण का कार्यक्रम FUS द्वारा चलाया जा रहा है, जिसकी संभावित भविष्य की दिशा एक अवरक्त तरंगदैर्ध्य उच्च औसत शक्ति FEL, या पराबैंगनी (यूवी) से वैक्यूम पराबैंगनी (VUV) तरंग दैर्ध्य क्षेत्र के लिए एक उच्च शक्ति, लघु पल्स (फेम्टोसेकन्ड) एवं कम तरंग दैर्ध्य FEL का निर्माण करना हो सकती हैं। इस तरह के एफईएल के विकास के लिए कई उच्च तकनीकों की आवश्यकता होती है जैसे स्थिर निम्न-लेवल और उच्च शक्ति आरएफ सिस्टम, उच्च ऊर्जा रैखिक त्वरक, लघु स्पंदित इलेक्ट्रॉन और फोटॉन बीम के लिए निदान, लंबे अनड्यूलेटर खंड, सीडिंग की योजना इत्यादि। RRCAT में एफईएल कार्यक्रम के प्रथम दो चरणों का उद्देश्य इन मुद्दों में से कुछ को संबोधित करना है, साथ ही साथ उपयोगकर्ता सुविधा के लिए IR-FEL विकसित करना है।

FEL & Utilization Section

एक फार-इंफ्रारेड FEL [जिसे 'कॉम्पैक्ट अल्ट्राफास्ट टेराहर्ट्ज़ FEL' (CUTE-FEL) कहा जाता है) को एक प्रौद्योगिकी प्रदर्शक के रूप में विकसित किया गया था। यह परियोजना FEL के निर्माण संबंधित विभिन्न विज्ञान और प्रौद्योगिकी मुद्दों के बारे में सीखने के उद्देश्य से बनायी गयी थी जैसे की FEL फिजिक्स, रेडियो फ्रीक्वेंसी (RF) त्वरक संरचनाओं और इंजेक्टर सिस्टम, अनड्यूलेटर्स, इलेक्ट्रॉन बीम ट्रांसपोर्ट लाइन और डायग्नोस्टिक्स आदि। इस FEL का इंजेक्टर सिस्टम एक 8-सेल प्लेन वेव ट्रांसफॉर्मर (PWT) linac संरचना पर आधारित है जो RRCAT में विकसित किया गया था। FEL के लिए एक 2.5 मीटर लंबा, शुद्ध स्थायी चुंबक संधारित्र भी RRCAT में ही बनाया गया था। इन दोनों महत्वपूर्ण उप-प्रणालियों को CUTE-FEL संरचना में स्थापना से पहले ऑफ़लाइन लक्षण वर्णन के माध्यम से जांचा गया था। CUTE-FEL सेटअप से पहला विकिरण 2012 में देखा गया था, और सेटअप तब से डी-कमीशन कर दिया गया हैं।

दूसरा चरण, जो वर्तमान में चल रहा है, एक IR-FEL के विकास की परिकल्पना करता है जो 15 - 50 माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य रेंज में ट्यून करने योग्य है। यह FEL विकिरण एक 'उपयोगकर्ता सुविधा’ के लिए उपयोग किया जाएगा, जो कि शुरू में 'संघनित भौतिक विज्ञान' के क्षेत्र में प्रयोगों के लिए सेटअप किया गया है। उपयोगकर्ता सुविधा का अधिक विवरण अगले खंड में 'टेराहर्टज़- इंफ़्रारेड (THz-IR) स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए सुविधाओं के विकास' में दिया गया है। तालिका-1 IR-FEL के कुछ महत्वपूर्ण डिज़ाइन मापदंडों को संक्षेप में प्रस्तुत करता है और चित्र-1 IR-FEL सेटअप को अपने विकिरण परिरक्षित क्षेत्र के अंदर स्थापित दिखाता है। लेज़िंग का पहला हस्ताक्षर चिन्ह नवंबर 2016 में सेटअप में देखा गया था [करंट साइंस, वॉल्यूम 114, नंबर 2, पृष्ठ क्रमांक 367] जिसमे RRCAT में विकसित एक इंजेक्टर लिनैक प्रणाली को नियोजित किया गया था। इसके बाद, इंजेक्टर सिस्टम का एक बड़ा उन्नयन 2018-19 में किया गया, जिसके परिणामस्वरूप बेहतर इलेक्ट्रॉन बीम स्थिरता और पुनरावृत्ति के साथ पीक करंट में एक बहुत महत्वपूर्ण सुधार (लगभग दोगुना) हुआ हैं। उन्नत इंजेक्टर सिस्टम के साथ IR-FEL सेटअप पर हाल के प्रयोगों ने 2 हर्ट्ज़ ऑपरेशन के लिए 28 माइक्रोन तरंग दैर्ध्य पर ~ 7 मिलीवाट CW औसत आउट-कपल्ड पावर के साथ आईआर-एफईएल की संतृप्ति का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया गया है[चित.2] । यह 10 ps माइक्रो-पल्स में 2 मेगावाट के डिजाइन लक्ष्य से अधिक शिखर आउट-कपल्ड पावर है। ट्रांस्वर्स ऑप्टिकल मोड प्रोफाइल को एक पायरोकेम [चित्र क्रमांक 3] का उपयोग करके मापा गया है। वर्तमान में ऑपरेशन मापदंडों के अनुसार ट्यूनिंग, ऑप्टिकल कैविटी के संरेखण और FEL से ऑप्टिकल (IR) विकिरण के लक्षण-वर्णन पर प्रयोग चल रहे हैं। इस ऑप्टिकल विकिरण को बाद में संघनित पदार्थ भौतिकी में नियोजित प्रयोगों की सुविधा के लिए समर्पित उपयोगकर्ता सुविधा में ले जाया जाएगा।


तालिका 1: IR-FEL के महत्वपूर्ण डिज़ाइन पैरामीटर

डिजाइन तरंग दैर्ध्य 15 –50 μm
डिजाइन इलेक्ट्रॉन बीम ऊर्जा 15 – 25 MeV
शिखर करंट > 30 A
अनड्यूलेटर की अवधि / लंबाई 5 cm / 2.5m
RMS अनड्यूलेटर पैरामीटर 1.2 at 27mm gap
पीक / औसत आउट-कपल्ड पावर 2 MW /15 - 30 mW @ 10 Hz


Figure 1: A picture of the IR-FEL injector system (Top) and the transport line and optical cavity (Bottom).
 
Figure 1: A picture of the IR-FEL injector system (Top) and the transport line and optical cavity (Bottom).
चित्र क्रमांक 1: IR-FEL इंजेक्टर सिस्टम (ऊपर) और ट्रांसपोर्ट लाइन और ऑप्टिकल कैविटी (नीचे) की तस्वीर।
 
Figure 1: A picture of the IR-FEL injector system (Top) and the transport line and optical cavity (Bottom).
Figure 1: A picture of the IR-FEL injector system (Top) and the transport line and optical cavity (Bottom).
चित्र क्रमांक 2: लेजर पावर मीटर > 7 mW मापे हुए सीडब्ल्यू औसत पावर का प्रदर्शन कर रहा है।
चित्र क्रमांक 3: एफईएल आउटपुट का ट्रांसवर्स ऑप्टिकल मोड प्रोफाइल।


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