ハイパワーナノ秒レーザー(超高圧科学)
XFELと100J級のハイパワーナノ秒レーザーを組み合わせることで、ハイパワーレーザーによって作り出せる超高圧力状態にある物質を超高速に診断することができます。本ページでは、BL3 EH5におけるハイパワーナノ秒レーザー利用実験について紹介します。
※ハイパワーナノ秒レーザー装置は、大阪大学が中心となって整備されました。
※この実験システムは、ハイパワーナノ秒レーザーのユーザーグループと共同で開発整備されました。一部のシステムの高度化は、SACLA基盤開発プログラムの課題(代表者:大阪大学 尾崎典雅准教授)として実施されています。
参考文献:
基本性能・成果衝撃圧縮されたコランダムのX線回折計測
計測例として多結晶コランダムのX線回折データを示します。ハイパワーナノ秒レーザー照射によって圧縮されている様子が観測できています。 ー 多結晶コランダムからのX線回折 レーサー集光条件および生成圧力
典型的なレーザー集光スポットサイズは200–300 µm程度、照射強度は~1 × 1013 W/cm2程度までであり、固体試料の場合、数100 GPaの圧力の生成が可能です。 実験装置試料チャンバ
ハイパワーナノ秒レーザー実験には、SACLA BL3の最下流、実験ハッチEH5内に常設されている真空試料チャンバを使用します。この試料チャンバ内に設置した試料にXFELとハイパワーナノ秒レーザーを照射して実験を行います。
ー 試料チャンバ内部 試料駆動機構および試料ホルダ
試料チャンバ内に、試料をアライメントするための多軸ステージが常設されています。
標準の試料ホルダシステムは試料を固定する短冊状(100 mm × 10 mm)のサンプルプレートとそのサンプルプレートを固定するフレームから構成されています。フレームは磁石式のキネマティックベースによって駆動機構と接続されます。試料ホルダシステムは実験に合わせて変更することができます。
![]() ー 試料チャンバ内駆動機構
![]() ー 試料チャンバ内駆動機構A部詳細 運転パラメータ(EH5@BL3)XFELパラメータ
参考文献: (参考)光子エネルギーとパルスエネルギー・光子数の関係(BL3の場合)
X線集光特性
X線回折の分解能を担保するために、縦方向の発散角は1 mrad以下となるよう設計された下記のKBミラー光学系を利用して、実験に合わせてXFELの集光サイズを調節することが可能です。また、片側のミラーのみを用いることで、X線を一次元に集光することも可能です。
非集光の場合の典型的なXFELビーム径は600 µm(半値全幅)であり、四象限スリットによって任意のサイズに調整可能です。
参考文献: 光学レーザー特性
*最大エネルギーはパルス波形に依存します。 標準的な実験配置
X線計測手法例と実験配置
X線回折
・XFELをプローブとした、ハイパワーナノ秒レーザーが照射された試料からの広角X線回折計測。 ・検出器には試料チャンバ内に設置できるフラットパネルディテクタ(シンチレーションCMOSカメラ)またはチャンバ外に設置できるDual-MPCCDが使用可能。 ・フラットパネルディテクタを使用する場合、反射配置と透過配置での計測が可能。
小角X線散乱
X線イメージング
光学計測手法例と実験配置速度干渉計測(VISAR)
放射輝度温度計測(SOP)
測定までの調整作業ビームタイムまでにSACLAのスタッフが行うこと
ビームタイム開始後にユーザーが行うこと
測定手順
ビームタイム初期調整終了後は、典型的には以下の手順で実験を行います。
SACLA標準の検出器のデータは、SACLAのHPCを利用してアクセス可能です。
関連成果プレスリリース論文発表
課題申請前の確認事項
本ページで紹介されているハイパワーナノ秒レーザーを利用した実験を計画されている場合は、利用可能なレーザー条件などについて、課題申請前にこのメールアドレスはスパムボットから保護されています。閲覧するにはJavaScriptを有効にする必要があります。まで必ずお問い合わせください。
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High-power nanosecond laser (Ultra High-Pressure Science)
By combining XFEL with a 100J-class high-power nanosecond laser, ultra-fast diagnostics of ultra-high-pressure materials created by high-power lasers is possible. This page introduces high-power nanosecond laser experiments at BL3 EH5.
※The high-power nanosecond laser equipment was mainly developed by Osaka University.
※ This experimental system was developed in collaboration with a user group for high-power nanosecond lasers. The sophistication of some systems is being upgraded by the SACLA Basic Development Program (representative: associate professor Norimasa Ozaki, Osaka University).
References:
Basic Performance and ResultsShock-compressed corundum X-ray diffraction measurements
X-ray diffraction data of polycrystalline corundum is shown as an example for the measurements. It is used to observe the compressed state of the high-power nanosecond laser irradiation. X-ray diffraction from polycrystalline corundum Laser focusing and pressure generation conditions
A typical laser focused spot size is approximately 200-300 µm, with an irradiation intensity of ~1 × 1013 W/cm2, and a solid sample can generate a pressure of several hundred GPa. Experimental EquipmentSample chamber
For high-power nanosecond laser experiments, the vacuum sample chamber permanently installed in the experimental hutch EH5, which is downstream of SACLA BL3, can be used. Experiments are conducted by irradiating the sample placed in the sample chamber with XFEL and high-power nanosecond lasers.
Inside the sample chamber The driving mechanisms for the sample and the sample holder
A multi-axis stage for aligning the sample is permanently installed in the sample chamber.
The standard sample holder system consists of a strip-shaped sample plate (100 mm × 10 mm) that secures the sample and a frame that holds the sample plate. The frame is connected to the drive mechanisms by a magnetic kinematic base. The sample holder system can be modified to suit the experiment.
![]() Driving mechanisms inside of the sample chamber
![]() Details of the driving mechanism A inside of the sample chamber Operating Parameters (EH5@BL3)XFEL parameters
References: (Reference) The relationship between photon energy and pulse energy / number of photons (for BL3)
X-ray focusing characteristics
To ensure the resolution of X-ray diffraction, adjust the focusing size of the XFEL according to the experiment by using the following KB mirror optical system designed to have a vertical divergence angle of 1 mrad or less. In addition, X-ray can be focused in one direction by using only one side of the mirror.
The typical non-focused XFEL beam diameter is 600 µm (full width at half maximum), and can be adjusted to any size with the four-quadrant slit.
References: Optical laser characteristics
* The maximum energy depends on the pulse waveform Standard Experimental Arrangement
Examples of X-ray measurement methods and experimental arrangements
X-ray diffraction
・Wide-angle X-ray diffraction measurements for a sample irradiated with a high-power nanosecond laser using XFEL as a probe ・A flat panel detector (scintillation CMOS camera) can be installed inside the sample chamber, or a Dual-MPCCD can be installed outside of the chamber to be used as the detector ・When using a flat panel detector, it is possible to measure in both reflection and transmission arrangements
Small-angle X-ray scattering
X-ray imaging
Examples of optical measurement methods and experimental arrangementsVelocity interferometer measurements (VISAR)
Radiance thermometer (SOP)
Adjustments before the MeasurementWhat the SACLA staff do before the beam time:
What the user does after the start of the beam time:
Measurement Procedure
After the initial beam time adjustments are complete, the experiment is typically performed with the following procedure.
Data from the SACLA standard detectors can be accessed using the SALCA HPC.
Related ResultsPress releasePapers published
What to check before applying for an assignment
If you are planning an experiment using the high-power nanosecond laser introduced on this page, and the available laser conditions apply, please contact the このメールアドレスはスパムボットから保護されています。閲覧するにはJavaScriptを有効にする必要があります。 before applying for an assignment.
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