Ny partikelaccelerator drives af buede laserstråler – Physics World

Ny partikelaccelerator drives af buede laserstråler – Physics World

Tidsstempel: 18. juli 2023 kl. 12:05
Kildeknude: 2772776

Lysglimt
Lys idé: Forskere i Kina har fundet en ny måde at accelerere elektroner ved hjælp af lysimpulser. (Med høflighed: iStock/7io)

En laser wakefield accelerator (LWFA), der leder sine laserstråler langs buede kanaler, mens accelererende elektroner er blevet skabt af Jie Zhang og kolleger ved Shanghai Jiao Tong University i Kina. Den nye teknik kan være et vigtigt skridt i retning af udviklingen af ​​kompakte, billige alternativer til konventionelle partikelacceleratorer.

I en LWFA skabes et tæt plasma ved at fokusere en intens laserpuls ind i en gas. Når den bevæger sig gennem gassen, skaber pulsen et område af vekslende elektriske felter - et "vågningsfelt" - der ligner en vandbølge, der dannes i kølvandet på en bevægende båd.

Ved at ride på disse bølger kan elektroner i plasmaet accelereres til meget høje energier over meget korte afstande. Som et resultat viser denne teknik et stort lovende for udvikling af acceleratorer, der er meget mindre end konventionelle systemer. Sådanne kompakte enheder ville være meget nyttige til medicinske og forskningsmæssige anvendelser.

Geninjektionsproblemer

For at elektroner kan nå relativistiske hastigheder, skal accelerationen ske flere gange, hvor elektroner fra et LWFA-stadie injiceres i det næste. Det er ikke nemt som teammedlem Min Chen forklarer, "da kølvandet har en størrelse på snesevis af mikron og dens hastighed er meget tæt på lysets hastighed, er elektroninjektion ekstremt vanskelig". Mens nogle nyere undersøgelser har opnået reinjektion ved hjælp af teknikker som plasmalinser, har forskere kun formået at injicere en lille brøkdel af elektroner i et andet trin.

I 2018 introducerede Zhang og Chens team en ny tilgang, som Chen beskriver: "I vores skema rejser elektronerne altid inde i en lige plasmakanal, hvor de kan fokuseres af laservågenfeltet. Den anden friske laser styres derefter af en buet plasmakanal og smelter sammen i den lige kanal, ligesom en motorvejsrampe."

Ved at lade elektronerne bevæge sig langs et ubrudt trin i stedet for at injicere dem i begyndelsen af ​​hvert nyt trin, ville denne tilgang gøre det muligt for forskerne at tilbageholde langt flere af partiklerne under acceleration.

Vaklende plasma

I starten kunne holdets mål have virket overambitiøst. Hvis en stråle endda var en smule off-centreret, da den smeltede sammen med den lige kanal, kunne det få plasmavågefeltet til at slingre - kaste elektronerne væk fra deres lige veje og mindske deres acceleration.

Zhangs team tacklede denne udfordring ved at variere krumningen af ​​kanalen, hvilket skabte variationer i tætheden af ​​plasmaet indeni. Med den helt rigtige krumning fandt forskerne ud af, at de kunne stoppe laserstrålens positionering i at oscillere – så når elektroner blev sprøjtet ind i den lige del af kanalen, var det resulterende vågnefelt stabilt nok til at accelerere partiklerne til højere hastigheder.

Gennem deres seneste eksperimenter opdagede forskerne en yderligere fordel ved deres tilgang. "Vi fandt ud af, at i nogle tilfælde kan laseren ikke kun styres, den kan også generere et vågefelt inde i den buede kanal og accelerere elektroner," forklarer Chen. "Normalt blev disse kun fundet i en lige plasmakanal. Det betyder, at både laser- og højenergielektroner kan ledes i en sådan buet plasmakanal."

Teamet mener, at dets tidlige resultater er en vigtig milepæl. "Vores eksperiment viser, hvordan relativistiske elektroner stabilt kan styres af en buet plasmakanal, som er det kritiske trin i vores iscenesatte wakefield-accelerationsskema," siger Chen. "I fremtiden kan sådanne kanaler bruges til wakefield-acceleration og elektronstyring."

Hvis de kan demonstrere et højere antal accelerationstrin ved hjælp af flere buede kanaler, håber Zhangs team, at teraelektronvolt-energier en dag kan være inden for rækkevidde for LWFA'er til kun en brøkdel af størrelsen og prisen for moderne partikelacceleratorer. "I øjeblikket kan vi sige, at vores undersøgelse løser et kritisk trin for iscenesat laservågefeltacceleration og viser potentialet for en kompakt synkrotronstrålingskilde," siger Chen.

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden