شتاب دهنده ذرات جدید توسط پرتوهای لیزر منحنی هدایت می شود - دنیای فیزیک

شتاب دهنده لیزری Wakefield (LWFA) که پرتوهای لیزری خود را در امتداد کانال های منحنی هدایت می کند و در عین حال الکترون ها را شتاب می دهد، ایجاد شده است. جی ژانگ و همکارانش در دانشگاه شانگهای جیائو تونگ در چین. این تکنیک جدید می تواند گامی کلیدی به سوی توسعه جایگزین های فشرده و ارزان قیمت برای شتاب دهنده های ذرات معمولی باشد.

در یک LWFA، یک پلاسمای متراکم با تمرکز یک پالس لیزر شدید در یک گاز ایجاد می شود. همانطور که در میان گاز حرکت می کند، پالس منطقه ای از میدان های الکتریکی متناوب را ایجاد می کند - یک "wakefield" - که شبیه یک موج آبی است که در پی یک قایق در حال حرکت شکل می گیرد.

با سوار شدن بر این امواج، الکترون های درون پلاسما را می توان تا انرژی های بسیار بالا در فواصل بسیار کوتاه شتاب داد. در نتیجه، این تکنیک برای توسعه شتاب دهنده هایی که بسیار کوچکتر از سیستم های معمولی هستند، نوید بزرگی را نشان می دهد. چنین دستگاه های فشرده ای برای کاربردهای پزشکی و تحقیقاتی بسیار مفید خواهند بود.

مشکلات تزریق مجدد

برای اینکه الکترون ها به سرعت های نسبیتی برسند، شتاب باید چندین بار اتفاق بیفتد و الکترون های یک مرحله LWFA به مرحله بعدی تزریق شود. این به عنوان عضو تیم آسان نیست مین چن توضیح می دهد، "از آنجایی که اندازه پیت ده ها میکرون است و سرعت آن بسیار نزدیک به سرعت نور است، تزریق مجدد الکترون بسیار دشوار است." در حالی که برخی از مطالعات اخیر با استفاده از تکنیک هایی مانند لنزهای پلاسما به تزریق مجدد دست یافته اند، محققان تنها موفق به تزریق بخش کوچکی از الکترون ها به مرحله دوم شده اند.

در سال 2018، تیم ژانگ و چن رویکرد جدیدی را معرفی کردند، همانطور که چن توضیح می‌دهد: «در طرح ما، الکترون‌ها همیشه در داخل یک کانال مستقیم پلاسمایی حرکت می‌کنند، جایی که می‌توان آن‌ها را توسط میدان بیوک لیزری متمرکز کرد. سپس دومین لیزر تازه توسط یک کانال پلاسمای منحنی هدایت می‌شود و در کانال مستقیم ادغام می‌شود، درست مانند رمپ بزرگراه.

این رویکرد با اجازه دادن به الکترون ها برای حرکت در طول یک مرحله ناگسستنی، به جای تزریق آنها در ابتدای هر مرحله جدید، محققان را قادر می سازد تا ذرات بسیار بیشتری را در طول شتاب حفظ کنند.

پلاسمای متلاطم

در ابتدا، هدف تیم ممکن بود بیش از حد جاه طلبانه به نظر برسد. اگر یک پرتو در حین ادغام با کانال مستقیم، حتی اندکی از مرکز خارج شود، می‌تواند باعث تکان‌های میدان بیدار پلاسما شود - الکترون‌ها را از مسیر مستقیم خود پرتاب کند و شتاب آنها را کاهش دهد.

تیم ژانگ این چالش را با تغییر انحنای کانال که باعث ایجاد تغییراتی در چگالی پلاسمای داخل می‌شود، برطرف کرد. تنها با انحنای مناسب، محققان دریافتند که می‌توانند موقعیت پرتو لیزر را از نوسان متوقف کنند – به طوری که وقتی الکترون‌ها به قسمت مستقیم کانال تزریق می‌شوند، میدان بیداری حاصل به اندازه‌ای پایدار است که ذرات را به سرعت‌های بالاتر شتاب می‌دهد.

شتاب‌دهنده الکترونی جدید تکنیک‌های ویک‌فیلد لیزر و پلاسما را ترکیب می‌کند

از طریق آخرین آزمایشات خود، محققان مزیت دیگری از رویکرد خود را کشف کردند. چن توضیح می‌دهد: «ما دریافتیم که در برخی موارد، نه تنها لیزر می‌تواند هدایت شود، بلکه می‌تواند یک میدان موج در داخل کانال منحنی ایجاد کند و الکترون‌ها را شتاب دهد. معمولاً اینها فقط در یک کانال مستقیم پلاسمایی یافت می شوند. این بدان معناست که هم الکترون های لیزر و هم الکترون های پرانرژی می توانند در چنین کانال پلاسمای منحنی هدایت شوند.

این تیم معتقد است که نتایج اولیه آن نقطه عطف مهمی است. چن می‌گوید: «آزمایش ما نشان می‌دهد که چگونه الکترون‌های نسبیتی می‌توانند به‌طور پایدار توسط یک کانال پلاسمایی منحنی هدایت شوند، که مرحله‌ای حیاتی در طرح شتاب میدان بیداری مرحله‌ای ما است.» در آینده، از چنین کانال هایی می توان برای شتاب ویک فیلد و هدایت الکترون استفاده کرد.

اگر آنها بتوانند تعداد بیشتری از مراحل شتاب را با استفاده از کانال‌های منحنی متعدد نشان دهند، تیم ژانگ امیدوار است که انرژی‌های ترال‌الکترون‌ولتی ممکن است روزی در دسترس LWFA‌ها باشد، فقط کسری از اندازه و هزینه شتاب‌دهنده‌های ذرات مدرن. چن می‌گوید: «در حال حاضر، می‌توانیم بگوییم که مطالعه ما یک مرحله حیاتی را برای شتاب مرحله‌ای ویکفیلد لیزری حل می‌کند و پتانسیل یک منبع تشعشع سنکروترون فشرده را نشان می‌دهد.

تحقیق در شرح داده شده است Physical Review Letters به.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. خودرو / خودروهای الکتریکی، کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• BlockOffsets. نوسازی مالکیت افست زیست محیطی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/