मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर

कॉम्पैक्ट THz मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर सुविधा दिल्ली प्रकाश स्त्रोत (DLS)

1. समीक्षा

दिल्ली प्रकाश स्रोत (डी.एल.एस) मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर के सिद्धांत पर आधारित THz विकिरण का उत्पादन करने के लिए एक कॉम्पैक्ट त्वरक आधारित प्रकाश स्रोत है। डी.एल.एस. में, उच्च अति तीव्रता के साथ विद्युत चुम्बकीय विकिरण सूक्ष्म-आवेशित इलेक्ट्रॉन किरणों द्वारा उत्पन्न किया जाएगा। डी.एल.एस. की अवधारणा इस तथ्य से उपजी है कि पूर्व-आवेशित इलेक्ट्रॉन किरणों से सुसंगत उत्सर्जन कॉम्पैक्ट अनडुलेटर चुंबक के इंजेक्शन बिंदु से तुरंत प्राप्त किया जा सकता है। यह तभी संभव है जब इलेक्ट्रॉन माइक्रोबंच की गुच्छ लंबाई एक विकिरण तरंग दैर्ध्य (λ_L) से बहुत कम हो और सभी माइक्रोबंच एक λ_L द्वारा क्रमिक रूप से अलग किए गए हों। (यह बंचिंग फैक्टर को बेहतर बनाने में भी मदद करता है)। यदि यह स्थिति संतुष्ट हो जाती है तो अन्ड्युलेटर के अंदर, दिए गए माइक्रोबंच से उत्सर्जित विकिरण उन्नत माइक्रो-बंच में इलेक्ट्रॉनों से मिलता है। इस प्रकार, फोटॉनों को चरणों में जोड़ा जाता है और विकिरण की तीव्रता (N_e x N_m)² के समानुपाती होता है, जिसमें N_e = प्रत्येक सूक्ष्म-गुच्छे में इलेक्ट्रॉनों की संख्या और N_m = सूक्ष्म गुच्छों की संख्या जो 1 से 16 तक हो सकती है। इसे आमतौर पर सुपर-रेडिएंट अनड्यूलेटर रेडिएशन के रूप में जाना जाता है।

DLS में Cu या Cs₂Te सेमीकंडक्टर फोटोकैथोड पर दबाव डालने वाली लेजर सूक्ष्म-स्पंदियों द्वारा पूर्व-प्रक्षेपित इलेक्ट्रॉन किरण का उत्पादन किया जाएगा। लेजर सूक्ष्म-दालों के पृथक्करण को भिन्न करने का प्रावधान होगा और इस प्रकार, इलेक्ट्रॉन गुच्छों के बीच पृथक्करण भी भिन्न हो सकता है। यदि इलेक्ट्रॉन सूक्ष्म-गुच्छों का पृथक्करण अपने समायोजित चुंबकीय क्षेत्र के साथ अन्ड्युलेटर चुंबक के माध्यम से इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज द्वारा उत्सर्जित विकिरण की आवश्यक तरंग दैर्ध्य के बराबर किया जाता है, तो माइक्रोबंच ट्रेनों से उत्सर्जित फोटॉन चरण में जुड़ जाएंगे और विकिरण की तीव्रता अधिकतम हो जाएगी।

चित्र 1: THz विकिरण उत्पन्न करने के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर सुविधा की योजना

पैरामीटर	मान
विकिरण की आवृत्ति	0.18-3 THz
इलेक्ट्रॉन बीम ऊर्जा	4-8 MeV
इलेक्ट्रॉन गन	2.6 cell Photocathode based RF cavity, frequency 2860MHz, S band, π Mode
फोटोकैथोड के प्रकार	Cu/ Cs₂Te
लेजर प्रणाली के प्रकार	Yb Doped Fiber Laser with multi-micro bunch structure with splitting mechanism
इलेक्ट्रॉन गुच्छ की अस्थायी चौड़ाई (FWHM)	~300fs
ऊर्जा का प्रसार	<1%
प्रवेश (RMS)	~ 1-2mm-mrad
शुल्क प्रति पल्स	6 pC
शिखर विद्युत प्रवाह	>20 Amp
अनडुलेटर प्रकार/लेग्थ/गैप	Plannar/2m/48mm
प्रायोगिक स्टेशन	Electron beam and THz

तालिकाः DLS-FEL के उप-प्रणाली के डिजाइन पैरामीटर

2. नवीनतम विकास

पूर्व-बंच मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर सुविधा को चालू कर दिया गया है और वर्तमान में सामग्री विज्ञान, जीव विज्ञान और परमाणु भौतिकी में प्रयोग करने के लिए इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज का उत्पादन करता है। पिछले वर्ष, सर्क्युलेटर के साथ उच्च-विद्युत शक्ति आर.एफ. स्रोत की अंतिम स्थापना के बाद, आर.एफ. गन की आर.एफ. कन्डीशनिंग 5 मेगावाट आर.एफ. विद्युत शक्ति तक की जा सकती है और 4.5 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट तक के इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज का उत्पादन डाइपोल मैग्नेट/चुंबक#1 और इंटीग्रेटेड विद्युत प्रवाह ट्रांसफॉर्मर (ICT) का उपयोग करके प्रदर्शित किया गया और मापा गया था। इस वर्ष, डाइपोल मैग्नेट/चुंबक#1 से बीम लाइन को डाइपोल मैग्नेट/चुंबक#2 के बाद स्थापित किरण-पुंज डंप तक बढ़ा दिया गया है। अब पूरी किरण-पुंज रेखा 60 डिग्री अक्रोमैटिक बेंड्स के डाइपोल चुंबक, किरण-पुंज स्थिति मॉनिटर, किरण-पुंज व्यूअर, आईसीटी, निर्वात पंप आदि दोनों से लैस है। इलेक्ट्रॉन किरण के साथ प्रयोग करने के लिए दो अलग-अलग प्रयोगात्मक कक्ष स्थापित किए गए हैं। 45 डिग्री कोण पर THz विकिरण को प्रतिबिंबित करने के लिए Ti-फॉइल से लैस THz निष्कर्षण कक्ष को पश्च-अनड्यूलेटर अनुभाग भी स्थापित किया गया है और पाइरोइलेक्ट्रिक संसूचक का उपयोग करके अनड्यूलेटर द्वारा उत्पादित THz विकिरण को ज्ञात करने के लिए प्रयास किए जा रहे हैं। KEK जापान के सहयोग से इस सुविधा के लिए फाइबर आधारित लेजर प्रणाली का विकास पूरा हो गया है और इस प्रणाली ने KEK की LUCX सुविधा में सफलतापूर्वक इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज का उत्पादन किया है। लेजर प्रणाली को अं.वि.त्व.के. में ले जाया गया है और अं.वि.त्व.के. में स्थापित किया गया है। यह उम्मीद की जाती है कि अगले कुछ महीनों में इलेक्ट्रॉन गन से फेमटोसेकंड इलेक्ट्रॉन बीम का उत्पादन किया जाएगा और इसे सुसंगत THz विकिरण के उत्पादन के लिए कॉम्पैक्ट अनडुलेटर में इंजेक्ट किया जाएगा।

उपयोगकर्ता प्रयोगों के लिए इलेक्ट्रॉन बीम

उपयोगकर्ता प्रयोगों के लिए इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज

पिछले शैक्षणिक वर्ष के दौरान, तरंग-दैर्ध्य (266 nm) वाले एक नैनोसेकंड UV लेजर को कैथोड पर कॉपर फोटोकैथोड से इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन करने के लिए उपयोग किया गया था और इलेक्ट्रॉन गन के विभिन्न त्वरित क्षेत्रों में इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज ऊर्जा मूल्यों को आवेश के साथ मापा गया था।

एफ.ई.एल. की इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज सुविधा का उपयोग करके किए गए प्रयोग

विश्वविद्यालय	परीक्षण	इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज की ऊर्जा	कुल किरण-पुंज समय (घंटे)
आणविक भौतिकी, अं.वि.त्व.के.	उच्च ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज के साथ आयनीकरण क्रॉस सेक्शन को मापना	2 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट	2 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट
जवाहर लाल नेहरू विश्वविद्यालय	Effect of e-beam on activated carbon to enhance its removal property of heavy metal toxic elements in water	2 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट	12
सेंट एडमंड कॉलेज, शिलांग	ई-बीम द्वारा संचित खुराक देने वाले बेकेलाइट नमूने (नाभिकीय संसूचक के लिए) पर विकिरण	4 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट, 5 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट	8
चौधरी चरण सिंह, मेरठ	ZnO नैनोकणों के सहयोग से उद्यान मटर संयंत्र की शारीरिक और जैव रासायनिक विशेषताओं को प्रभावित करने वाले कम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज, कुल 60 नमूनों को विकिरणित किया गया	5 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट	24
आई.आई.टी. हैदराबाद	नमूना प्रकार सी.वी.डी. विकसित 2डी MoS2 पर SiO2/Si (थिन फिल्म) नमूने का आकार 5x5 मिमी	1 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट	48

डी.एल.एस. किरण-पुंज रेखा

अं.वि.त्व.के. में डी.एल.एस. सुविधा के पहले चरण का उद्देश्य 2 से 8 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट ऊर्जा के अल्ट्रा-शॉर्ट इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज के गुच्छे और 0.18 से 3.0 THz की आवृत्ति सीमा में तीव्र THz विकिरण दोनों का उत्पादन करना है। इसके लिए कक्ष-10000 सफाई कक्ष के अंदर एक कॉम्पैक्ट किरण-पुंज रेखा डिजाइन और स्थापित की गई है। किरण-पुंज रेखा के अवधारणात्मक डिजाइन और इसके घटकों के बारे में विवरण निम्नलिखित खंडों में वर्णित किया जाएगा।

चरण-I में दो किरण-पुंज रेखाएं होंगी जैसे विकिरण किरण रेखा और इलेक्ट्रॉन किरण रेखा। सफाई कक्ष के अंदर दोनों किरण-पुंज रेखाओं के अपने प्रयोगात्मक स्टेशन होंगे (जैसा कि चित्र-I में दर्शाया गया है।)

चित्र-1: कक्ष 10000 स्वच्छ कक्ष के अंदर DLS चरण-I का अवधारणात्मक डिजाइन।

वैचारिक डिजाइन में, एक विस्तृत किरण-पुंज रेखा घटकों को उनके वास्तविक आयामों के साथ एक योजनाबद्ध आरेख में योजनाबद्ध किया गया है। डी.एल.एस. परियोजना के पहले चरण के लिए कार्य पूरा कर लिया गया है। उपर्युक्त किरण-पुंज रेखा का विस्तृत योजनाबद्ध चित्र-2 में दर्शाया गया है।

चित्र 2: DLS बीम लाइन की विस्तृत योजना

अंड्युलेटर चुंबक को अपने संकीर्ण निर्वात कक्ष के साथ सटीक रूप से संरेखित किया गया था और किरण-पुंज ऊर्जा को वर्णहीन मोड़ पर स्थापित द्विध्रुवीय चुंबक का उपयोग करके मापा गया था। इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज रेखा के वर्णहीन झुकने वाले खंड को पूरा करने के लिए चुंबकीय क्वाड्रुपोल ट्रिपलेट और स्टीयरिंग चुंबक के साथ एक अन्य द्विध्रुवीय चुंबक स्थापित किया गया था। दूसरे द्विध्रुव चुंबक के साठ डिग्री (60) झुकने वाले खंड को प्रायोगिक कक्ष के साथ संरेखित किया गया था, साथ ही क्वाड्रुपोल डबल्स और स्टीयरिंग चुंबक के साथ प्रायोगिक कक्षों में इलेक्ट्रॉन बीम के वितरण के लिए इलेक्ट्रॉन बीम से संबंधित प्रयोगों के लिए समर्पित किया गया था। पहले द्विध्रुव चुंबक की शून्य-डिग्री रेखा को भी परमाणु भौतिकी प्रयोगों के लिए एक अतिरिक्त प्रयोगात्मक कक्ष के साथ संरेखित किया गया था। प्रायोगिक कक्ष में किरण-पुंज की ट्यूनिंग के लिए इस किरण-पुंज रेखा में आईसीटी के साथ बीपीएम स्थापित किया जा रहा है। पूरे किरण-पुंज रेखा के डिजाइन ड्राइंग के साथ स्थापित किरण-पुंज रेखा पोस्ट अनड्यूलेटर अनुभाग का दृश्य चित्र 3 में दर्शाया गया है।

चित्र 3: DLS के लिए पूर्व और पोस्ट अनडुलेटर अनुभागों के साथ पूरी बीम लाइन

किरण-पुंज प्रकाशिकी अनुकरण

डी.एल.एस. का किरण-पुंज प्रकाशिकी अनुकरण दो चरणों में किया जाता है, पहला PC गन से अनडुलेटर निकास तक THz आवृत्तियों के विकिरण उत्पादन के लिए अनुकूलित करने के लिए और दूसरा, इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज को इलेक्ट्रॉन प्रायोगिक स्टेशनों तक मार्गदर्शन करने के लिए एक वर्णहीन मोड़ के माध्यम से अनडुलेटर से बाहर निकाला जाता है। पहले अनुभाग के लिए ASTRA (एक स्पेस चार्ज ट्रैकिंग एल्गोरिदम) और GPT (जनरल पार्टिकल ट्रेसर) सॉफ्टवेयर का उपयोग सिमुलेशन के लिए किया जाता है, जबकि दूसरे चरण के लिए GPT के अतिरिक्त GICOSY का भी उपयोग किया जाता है। GICOSY से प्रथम क्रम अनुकूलन के बाद, GPT में अनुकरण के लिए GICOSY मापदंडों का उपयोग किया जाता है। पूर्ण किरण-पुंज रेखा के लिए जी.पी.टी. 4 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट का परिणाम चित्र 1 में दर्शाया गया है।

चित्र 1: 4 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट किरण-पुंज के लिए GPT अनुकरण के परिणाम PC गन से इलेक्ट्रॉन प्रायोगिक स्टेशन तक Z के साथ किरण-पुंज अनुप्रस्थ rms आकार की भिन्नता को दर्शाते हैं। अनड्युलेटर निकास और इलेक्ट्रॉन प्रायोगिक स्टेशन पर अनुप्रस्थ किरण-पुंज प्रोफ़ाइल भी प्रदर्शित की गई है।

डी.एल.एस. के लिए अनुकरण एक दी गई आवृत्ति के लिए अंड्युलेटर के माध्यम से समूह के बंचिंग फैक्टर (बी.एफ.) को अनुकूलित करने की कोशिश करके किया गया है। यह अनड्युलेटर के अंदर बी.एफ. श्रेणी के योग को अधिकतम करके प्राप्त किया जाता है। 16 माइक्रो-समूह का उपयोग करके 3 THz आवृत्तियों के लिए अनुकरण परिणाम चित्र 2 में दर्शाए गए हैं।

चित्र 2: शीर्ष प्लॉट किरण-पुंज रेखा के साथ X और Y में किरण-पुंज आर.एम.एस. आकार का है, मध्य बाएँ प्लॉट अनड्यूलेटर के माध्यम से 3.0 THz पर बी.एफ. और PC गन, अनड्यूलेटर प्रविष्टि, मध्य और निकास स्थानों पर मध्य दाएँ प्लॉट बी.एफ. स्पेक्ट्रम दर्शाता है। निचला प्लॉट PC गन, अनड्यूलेटर प्रविष्टि, मध्य और निकास पर क्रमशः समूह X-Z प्रोफ़ाइल दर्शाता है।

उच्च विद्युत शक्ति रेडियो आवृत्ति प्रणाली

अं.वि.त्व.के. की दिल्ली प्रकाश स्रोत परियोजना के लिए विनिर्देश उच्च विद्युत शक्ति रेडियो आवृत्ति प्रणाली की किरण-पुंज आवश्यकता से प्राप्त होती है। फोटोइंजेक्टर कैविटी 2860 मेगाहर्ट्ज पर प्रतिध्वनित होती है। उदाहरण S-बैंड) 3 THz की आवृत्ति सीमा में THz विकिरण उत्पन्न करने के लिए लेजर प्रेरित फोटो-इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज को तीव्र करने के लिए 8 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट के अधिकतम लाभ के साथ आवश्यक है। इस तरह के लाभ का प्राप्त करने के लिए, ~ 115 MV/m के क्रम के त्वरित क्षेत्रों की आवश्यकता होती है जो ~ 19 मेगा वाट रेडियो आवृत्ति विद्युत शक्ति का अनुवाद करती है। फोटोइन्जेक्टर कैविटी के लिए रेडियो आवृत्ति विद्युत शक्ति स्रोत, उपरोक्त विनिर्देश के साथ अधिकतम 4 μs अवधि के लिए स्पंदित मोड में संचालित 25 मेगावाट पीक पावर क्लिस्ट्रॉन पर आधारित है। उच्च विद्युत शक्ति रेडियो आवृत्ति प्रणाली के मुख्य घटक उच्च वोल्टेज पल्स मॉड्यूलेटर, सॉलिड स्टेट ड्राइवर एम्पलीफायर, एस-बैंड क्लिस्ट्रॉन, रेडियो आवृत्ति वेवगाइड प्रणाली और आयन पंप हैं। इस प्रणाली को अं.वि.त्व.के. में चालू किया गया है और पूरा संयोजन और वास्तविक साइट चित्र के सॉलिडवर्क्स ड्राइंग को चित्र 1 में दर्शाया गया है।

चित्र 1: पूर्ण आर.एफ. प्रणाली संयोजन

पैरामीटर	मान	इकाई
क्लिस्ट्रॉन रेडियो आवृत्ति पीक पावर	≥ 25	MW
क्लिस्ट्रॉन औसत परिणाम	≥ 5	MW
संचालन पी.आर.एफ. सीमा	1-50	Hz
पल्स की लंबाई (फ्लैट शीर्ष)	≤ 4	µs
ऊपरी समतलता	±0.3	%
वृद्धि और गिरावट की दर पल्स टू पल्स स्थिरता	311, 243	kV/ µs
पल्स टू पल्स स्थिरता	42	ppm

तालिका 1: मॉड्यूलेटर के पैरामीटर

एक 2.6 कक्ष S-बैंड तांबे की कैविटी का उपयोग फोटोइंजेक्टर कैविटी के रूप में काम करने के लिए रेडियो आवृति गन के रूप में किया जा रहा है। इसे KEK, जापान के सहयोग से बनाया गया है, जिसका कम शक्ति वाले रेडियो आवृति के साथ परीक्षण किया गया है। कैविटी वर्तमान में डी.एल.एस. किरण-पुंज रेखा में वैक्यूम में है और इसे अपनी सही स्थिति में संरेखित किया गया है। इस कैविटी के अंतिम स्थान के आधार पर उच्च शक्ति वाली रेडियो आवृति प्रणाली स्थापित और संचालित की गई है। कैविटी की अनुनाद आवृत्ति 2860 मेगाहर्ट्ज होती है और मापा गया Q-मान कम शक्ति रेडियो आवृति के साथ~15200 होता है। सुपरफिश और बीड पुल माप से कैविटी और इसके विद्युत क्षेत्र प्रोफाइल को चित्र 2 में दर्शाया गया है।

चित्र 2: सुपरफिश सिमुलेशन के साथ बीड पुल माप के साथ आरएफ गन

SF6 आधारित सर्कुलेटर की स्थापना के बाद, रेडियो आवृत्ति फोटो कैथोड गन की कठोर रेडियो आवृत्ति कंडीशनिंग 24*7 मोड में शुरू की गई थी और फोटो कैथोड गन के अंदर 65 मेगा वॉल्ट प्रति मिनट (रेडियो आवृत्ति विद्युत शक्ति के 4 मेगावाट पर) का अधिकतम रेडियो आवृत्ति फील्ड ग्रेडिएंट उत्पन्न किया गया था। उच्च क्षेत्र प्रवणताओं पर, रेडियो आवृत्ति जंक्शनों पर अत्यधिक इलेक्ट्रॉन निर्वहन या चापों के कारण, कई विसंगतियां हुईं जो उच्च परावर्तित शक्ति का कारण बनीं, जो बदले में गुहा या वेवगाइड निर्वात स्थितियों को प्रभावित करती हैं और प्रणाली को ट्रिप करने का कारण बनती हैं। ऐसी घटनाओं से बचने और प्रणाली ट्रिप की आवृत्ति को कम करने के लिए, एक मशीन लर्निंग एल्गोरिदम विकसित किया गया है जो विभिन्न रेडियो आवृत्ति विद्युत शक्ति स्तरों पर एक स्थायी और स्थिर निर्वात/दबाव स्तरों की भविष्यवाणी कर सकता है और यदि निर्वात स्तर कभी नियंत्रण से बाहर जाने की कोशिश करता है, तो यह प्रणाली को ट्रिपिंग से रोकने के लिए स्वचालित रूप से विद्युत शक्ति स्तर को कम या नियंत्रित कर सकता है। वर्तमान में इस कार्यक्रम को फोटोकैथोड गन के निर्बाध रेडियो आवृत्ति कंडीशनिंग के लिए नियंत्रण योजना में तैनात किया जा रहा है और प्रणाली को 10 मेगावाट रेडियो आवृत्ति अग्रेषित विद्युत शक्ति के लिए वातानुकूलित किया जा रहा है। उत्पादित इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज की ऊर्जा को 9 मेगावाट रेडियो आवृत्ति विद्युत शक्ति पर 6 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट मापा गया था। रेडियो आवृत्ति गुहा अनुकूलन के दौरान विभिन्न मापदंडों की निगरानी और रिकॉर्डिंग के लिए एक ई.पी.आई.सी.एस. जी.यू.आई. भी विकसित किया गया है। चित्र 3 पल्स अवधि के 4 माइक्रोसेकंड के साथ 5 मेगावाट पर गुहा कंडीशनिंग दर्शाता है।

चित्र 3: फॉरवर्ड पावर, रिफ्लेक्टेड पावर, कैविटी पिक अप और मॉड्यूलेटर जीयूआई

फोटोकैथोड जमा प्रणाली

डी.एल.एस. सुविधा में, जो अंतर विश्वविद्यालय त्वरक केंद्र, नई दिल्ली में विकसित की जा रही है, प्रारंभ में, इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज कॉपर फोटोकैथोड से और बाद में सेमीकंडक्टर फोटोकैथोड जैसे Cs₂Te और अन्य उन्नत फोटोकैथोड सामग्री से उत्पन्न किया जाएगा। धातु सब्सट्रेट पर फोटोकैथोड सामग्री की थिन फिल्म जमा करने के लिए, अं.वि.त्व.के. में एक निक्षेपण प्रणाली तैयार की गई है और संयुक्त सहयोग के अधीन ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी (बी.एन.एल.) यू.एस.ए. में निर्मित की गई है।

इस प्रणाली में चार निर्वात कक्ष होते हैं जो द्वार वाल्व द्वारा अलग करने के विकल्प के साथ निर्वात मैनिपुलेटर के साथ आपस में जुड़े होंगे (चित्र 1 में दर्शाया गया है). इस प्रणाली में पीसी प्लग पर फोटोकैथोड धातु सब्सट्रेट (जिसे बाद में पीसी प्लग कहा जाएगा) की सफाई, अवशिष्ट गैस विषाक्तता के बिना पीसी प्लग का भंडारण और रेडियो आवृत्ति इलेक्ट्रॉन गन में पीसी प्लग डालने का प्रावधान होगा। फोटोकाथोड थिन फिल्म के न्यूनतम अवशिष्ट विषाक्तता सुनिश्चित करने के लिए सुविधा में सभी कक्षों में संचालित निर्वात 10^-11 mbar के क्रम में होगा।

चित्र 1. फोटोकैथोड तैयारी और स्थानांतरण सुविधा का असेंबली दृश्य

वर्तमान में, Cu फोटोकैथोड पर लेजर किरण-पुंज को गिराकर इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज का उत्पादन जारी रखा जा रहा है। गुच्छे की चौड़ाई, उत्सर्जन, ऊर्जा प्रसार आदि के संदर्भ में इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए सेमीकंडक्टर फोटोकैथोड (Cs₂Te) निक्षेपण प्रणाली स्थापित की गई थी। निर्वात तत्वों, चुंबक मैनिपुलेटर, स्त्रोत कक्षों आदि जैसे अन्य एक्सेसरीज के साथ फोटोकैथोड डिपोजिशन प्रणाली की स्थापना के बाद, वैक्यूम किया गया और 5x10^-12 mbar की रिसाव दर प्राप्त की गई। स्रोत संयोजन की स्थापना पूर्ण हो चुकी है और कैथोड सब्सट्रेट का तापमान अंशांकन पूरा हो चुका है।

सब्सट्रेट के संबंध में क्वार्ट्ज क्रिस्टल मॉनिटर (QCM) की स्थिति को सब्सट्रेट पर निक्षेपण मोटाई की तुलना में QCM द्वारा मापी गई फिल्म की मोटाई के ~ 1/5 वें हिस्से को मापकर अनुकूलित किया गया था। निक्षेपण कक्ष के ठीक बाहर एक UV एलईडी प्रणाली स्थापित की गई थी और लेजर किरण-पुंज को संरेखित किया गया था ताकि यह निक्षेपण के दौरान फोटो कैथोड की क्वांटम दक्षता को मापने के लिए निक्षेपण कक्ष के अंदर रखे सब्सट्रेट से टकरा सके।

फाइबर लेजर प्रणाली

लेजर प्रणाली THz के उत्पादन के लिए दिल्ली प्रकाश स्रोत (डी.एल.एस.) सुविधा की सबसे महत्वपूर्ण उप-प्रणालियों में से एक है। डी.एल.एस. की अवधारणा इस तथ्य से उपजी है कि पूर्व-आवेशित इलेक्ट्रॉन किरणों से सुसंगत उत्सर्जन कॉम्पैक्ट अनडुलेटर चुंबक के इंजेक्शन बिंदु से तुरंत प्राप्त किया जा सकता है। फोटोकैथोड पर प्रहार करने वाली लेजर सूक्ष्म-स्पंदियों द्वारा पूर्व-प्रक्षेपित इलेक्ट्रॉन किरण का उत्पादन किया जाएगा।

अं.वि.त्व.के. और उच्च ऊर्जा त्वरक अनुसंधान संगठन (KEK) जापान के बीच एक सहयोगी परियोजना के रूप में 500 फेम्टो-सेकंड की पल्स चौड़ाई के साथ UV (255 nm) पर ~ 1.5 माइक्रो जूल ऊर्जा के साथ अल्ट्रा-शॉर्ट लेजर पल्स का उत्पादन करने के लिए एक अत्याधुनिक फाइबर लेजर प्रणाली विकसित की गई थी। लेजर प्रणाली का विकास सफलतापूर्वक पूर्ण हो गया है और अं.वि.त्व.के. के फाइबर लेजर प्रणाली का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन बीम के उत्पादन का प्रदर्शन किया जा चुका है।

चित्र 1:ऑसिलेटर, पल्स पिकर (SOA), फाइबर स्ट्रेचर, प्री-प्री-एम्पलीफायर और प्री-एम्पलीफायर

चित्र 1: मुख्य एम्पलीफायर, कंप्रेसर ग्रेटिंग और हार्मोनिक जेनरेशन लाइन

चित्र 2. मापा मापदंडों के साथ फाइबर लेजर प्रणाली

पैरामीटर	मान
पुनरावृत्ति दर	130 MHz (ट्यूनेबल)
ऑसिलेटर शक्ति	120mW (अधिकतम)
दीर्घकालिक आरएमएस स्थिरता	0.5%
मल्टीपल्स एवं बर्स्ट रेट	10 Hz की दर पर 4 µs के अंदर 5-10 MHz
पल्स की चौड़ाई (FWHM)	~300 sub ps
बर्स्ट एनर्जी (IR)	~1mJ (1030nm)
बर्स्ट एनर्जी (Green)	~100µJ (515nm)
बर्स्ट एनर्जी (UV) Max	~10 µJ (258nm)

तालिका 1: फाइबर लेजर प्रणाली का पैरामीटर

अनड्युलेटर

अंड्युलेटर चुंबकों की एक आवधिक व्यवस्था है जो इस तरह से होती है कि इसकी धुरी से गुजरने वाला कण एक साइनसॉइड रूप से भिन्न चुंबकीय क्षेत्र का अनुभव करता है। (चित्र 1)

चित्र 1: अन्ड्युलेटर चुंबक की योजना

सापेक्षिक इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज को अन्ड्युलेटर चुंबक में इंजेक्ट किया जाएगा और विद्युत चुम्बकीय विकिरण का उत्पादन किया जाएगा। विकिरण के nवें हार्मोनिक की तरंगदैर्ध्य λ प्रसिद्ध अनडुलेटर समीकरण द्वारा दी गई है,

λ = λ_u / (2nγ²) (1 + K²/2 + θ²γ²)

जहाँ λ_u अनडुलेटर अवधि है, γ इलेक्ट्रॉन के लिए सापेक्ष कारक है, K= 0.0934*B[T]*λ_u [mm] अनडुलेटर पैरामीटर है, B अनडुलेटर का ऑन-एक्सिस पीक मैग्नेटिक फील्ड है और θ वह कोण है जिस पर z-अक्ष के संबंध में विकिरण उत्सर्जित होता है (अथवा अवलोकन कोण)।

डीएलएस को 4 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट से 8 मेगा इलेक्ट्रॉन वॉल्ट के इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज से 0.18 THz से 3 THz की सीमा में विकिरण तरंग दैर्ध्य का उत्पादन करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस प्रकाश स्रोत के लिए अनडुलेटर HZB, जर्मनी से उनके अतिरिक्त अनडुलेटर का उपयोग करने के लिए प्राप्त किया गया था, जिसके विनिर्देश डिज़ाइन किए गए एक के साथ निकटता से मेल खाते हैं। अं.वि.त्व.के. में स्थापना के लिए उपयुक्त बनाने के लिए डी.ई.एस.वाई., जर्मनी में कुछ नवीनीकरण किए गए। तालिका 1 उपयोग किए जा रहे अनड्यूलेटर के विनिर्देशों को दर्शाता है।

1.	पुनरावृत्ति दर	Undulator
2.	Installation at	Delhi Light Source (DLS), New Delhi
3.	Undulator technology	Pure Permanent Magnet (PPM)
4.	Magnet material	NdFeB
5.	Number of periods	33
6.	Undulator period	48 mm
7.	Individual magnet dimensions	70 mm(y-height) × 22 mm (z-width) x 12 mm (x-thickness)
8.	Length of undulator	1584 mm (only the magnet structure) Total length 2400 mm
9.	Mechanical configuration	90° rotated, main field in horizontal direction
10.	Undulator gap: working range	16 mm (minimum)- 45 mm (maximum) 140 mm (open gap)

तालिका 1: अनडुलेटर चुंबक का विनिर्देशन

अनड्यूलेटर को DESY से स्थानांतरित कर दिया गया है और किरण-पुंज रेखा में स्थापित किया गया है। संरेखण टेलर-हॉबसन फ्यूडिशियल का उपयोग करके किया गया था। अनडुलेटर के अंदर निर्वात कक्ष को संरेखित किया गया है और किरण-पुंज रेखा से जोड़ा गया है (चित्र 2)। इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज सफलतापूर्वक संचरण दक्षता के नैनो सेकेंड लेज़र के साथ 80% अनड्यूलेटर चैंबर के माध्यम से प्रेषित किया गया है। छोटी और लंबी कुंडलियों को भी संचालित किया जाता है। उत्पन्न THz की अलग-अलग विकिरण तरंग दैर्ध्य प्राप्त करने के लिए अंतर अलग-अलग होगा। फील्ड इंटीग्रल और करेक्शन कॉइल करंट मापन डेटा को चित्र 3 में दर्शाया गया है।

चित्र 2: संरेखण के लिए टेलर होब्सन फिड्यूशियल और अंड्युलेटर के अंदर निर्वात कक्ष

चित्र 3: अनड्युलेटर फील्ड इंटीग्रल करेक्शन कॉइल करंट माप

THz परिवहन और पहचानः

निर्वात कक्ष के माध्यम से प्रसार करते समय इसके आगे के क्षति और क्षीणन को कम करने के लिए टेराहर्ट्ज़ विकिरण को अनडुलेटर के बाहर निकलने पर ही अधिकृत करना पड़ता है। अनडुलेटर के सिरे पर, टाइटेनियम फॉइल से लैस एक निष्कर्षण कक्ष स्थापित किया जाता है। पन्नी THz विकिरण को लंबवत दिशा में प्रतिबिंबित करेगी और इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज को निकालने देती है। परावर्तित THz विकिरण को टेफ्लॉन लेंस और परवलयिक दर्पणों का उपयोग करके एकत्र किया जाएगा, और फिर दर्पणों और लेंसों की मदद से प्रयोगात्मक स्टेशनों में ले जाया जाएगा। माइकलसन इंटरफेरोमीटर सेटअप का उपयोग करके THz का पता लगाने के लिए योजना चित्र 1 में दर्शायी गई है।

चित्र 1: THz परिवहन और पहचान प्रणाली की योजना

तालिका 1 लिनार्ड विचेर्ट फार्मूलेशन का उपयोग करके उत्पन्न गणना की गई THz शक्ति को दर्शाती है जब इलेक्ट्रॉन माइक्रोबंच अंड्युलेटर से गुजरते हैं।

तालिका 1: लियनार्ड विचेर्ट फार्मूलेशन का उपयोग करके अनुमानित THz पल्स ऊर्जा

चित्र 2, उत्पन्न THz का पता लगाने के लिए स्थापित पैराबोलिक दर्पण और पायरोइलेक्ट्रिक संसूचक के साथ डी.एल.एस. किरण-पुंज रेखा में स्थापित निष्कर्षण कक्ष को दर्शाता है।