Uutta hiukkaskiihdytintä ohjaavat kaarevat lasersäteet – Physics World

Laser Wakefield Accelerator (LWFA), joka ohjaa lasersäteitä pitkin kaarevia kanavia samalla kun kiihdyttää elektroneja, on luonut Jie Zhang ja kollegat Shanghai Jiao Tong -yliopistossa Kiinassa. Uusi tekniikka voisi olla keskeinen askel kohti kompaktien, halpojen vaihtoehtojen kehittämistä perinteisille hiukkaskiihdyttimille.

LWFA:ssa tiheä plasma luodaan fokusoimalla voimakas laserpulssi kaasuun. Liikkuessaan kaasun läpi pulssi luo vuorottelevien sähkökenttien alueen – "herätyskentän", joka muistuttaa vesiaaltoa, joka muodostuu liikkuvan veneen jälkeen.

Näitä aaltoja ajamalla plasmassa olevat elektronit voidaan kiihdyttää erittäin suuriin energioihin hyvin lyhyillä etäisyyksillä. Tämän seurauksena tämä tekniikka on lupaava kehittää kiihdyttimiä, jotka ovat paljon pienempiä kuin perinteiset järjestelmät. Tällaiset kompaktit laitteet olisivat erittäin hyödyllisiä lääketieteellisissä ja tutkimussovelluksissa.

Uudelleeninjektioongelmat

Jotta elektronit saavuttaisivat relativistiset nopeudet, kiihtymisen on tapahduttava useita kertoja, jolloin yhdestä LWFA-vaiheesta peräisin olevat elektronit injektoidaan seuraavaan. Tämä ei ole helppoa joukkueen jäsenenä Min Chen selittää, "koska herätys on kymmenien mikrometrien kokoinen ja sen nopeus on hyvin lähellä valon nopeutta, elektronien uudelleeninjektio on erittäin vaikeaa". Vaikka joissakin viimeaikaisissa tutkimuksissa on saavutettu uudelleeninjektio käyttämällä tekniikoita, kuten plasmalinssejä, tutkijat ovat onnistuneet injektoimaan vain pienen osan elektroneista toiseen vaiheeseen.

Vuonna 2018 Zhangin ja Chenin tiimi esitteli uuden lähestymistavan, kuten Chen kuvailee: ”Kaavassamme elektronit kulkevat aina suoran plasmakanavan sisällä, jossa ne voidaan kohdistaa laserherätyskentällä. Toista tuoretta laseria ohjaa sitten kaareva plasmakanava ja se sulautuu suoraksi kanavaksi, aivan kuin moottoritien ramppi.

Antamalla elektronien kulkea yhtä katkeamatonta vaihetta pitkin sen sijaan, että ne ruiskuttaisivat ne jokaisen uuden vaiheen alussa, tämä lähestymistapa antaisi tutkijoille mahdollisuuden säilyttää paljon enemmän hiukkasia kiihdytyksen aikana.

Heiluttava plasma

Aluksi joukkueen maali saattoi näyttää liian kunnianhimoiselta. Jos säde oli edes hieman poissa keskustasta, kun se sulautui suoran kanavan kanssa, se voisi saada plasman herätyskentän heilumaan – heittäen elektronit pois suorilta polultaan ja vähentäen niiden kiihtyvyyttä.

Zhangin tiimi vastasi tähän haasteeseen vaihtelemalla kanavan kaarevuutta, mikä loi vaihtelua sisällä olevan plasman tiheyteen. Juuri oikealla kaarevalla tutkijat havaitsivat, että he pystyivät pysäyttämään lasersäteen paikantamisen värähtelemästä – niin että kun elektroneja injektoitiin kanavan suoraan osaan, tuloksena oleva herätyskenttä oli riittävän vakaa kiihdyttääkseen hiukkasia suurempiin nopeuksiin.

Uusi elektronikiihdytin yhdistää laser- ja plasmawakefield-tekniikat

Uusimpien kokeidensa kautta tutkijat löysivät lähestymistavan lisäedun. "Huomasimme, että joissakin tapauksissa laserin ohjaamisen lisäksi se voi myös luoda herätyskentän kaarevan kanavan sisällä ja kiihdyttää elektroneja", Chen selittää. "Yleensä näitä löydettiin vain suorasta plasmakanavasta. Se tarkoittaa, että sekä laser- että korkeaenergiset elektronit voidaan ohjata sellaisessa kaarevassa plasmakanavassa.

Tiimi uskoo, että sen varhaiset tulokset ovat tärkeä virstanpylväs. "Kokeemme osoittaa, kuinka relativistisia elektroneja voidaan ohjata vakaasti kaarevalla plasmakanavalla, mikä on kriittinen vaihe vaiheistetussa wakefield-kiihtyvyysjärjestelmässämme", Chen sanoo. "Tulevaisuudessa tällaisia ​​kanavia voitaisiin käyttää wakefield-kiihdytykseen ja elektronien ohjaukseen."

Jos he pystyvät osoittamaan suuremman määrän kiihdytysvaiheita käyttämällä useita kaarevia kanavia, Zhangin tiimi toivoo, että teraelektronivolttienergiat voivat jonakin päivänä olla LWFA:iden ulottuvilla vain murto-osalla nykyaikaisten hiukkaskiihdytinten koosta ja kustannuksista. "Tällä hetkellä voimme sanoa, että tutkimuksemme ratkaisee kriittisen vaiheen vaiheittaisessa laserherätyskentän kiihtyvyydessä ja osoittaa potentiaalin kompaktille synkrotronisäteilylähteelle", Chen sanoo.

Tutkimusta kuvataan Fyysisen tarkastelun kirjaimet.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/