नया कण त्वरक घुमावदार लेजर बीम द्वारा संचालित होता है - भौतिकी विश्व

नया कण त्वरक घुमावदार लेजर बीम द्वारा संचालित होता है - भौतिकी विश्व

समय टिकट: 18 जुलाई, 2023 12:05 अपराह्न
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प्रकाश की चमक
उज्ज्वल विचार: चीन में शोधकर्ताओं ने प्रकाश की तरंगों का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को गति देने का एक नया तरीका खोजा है। (सौजन्य: iStock/7io)

एक लेजर वेकफील्ड एक्सेलेरेटर (एलडब्ल्यूएफए) जो इलेक्ट्रॉनों को तेज करते हुए घुमावदार चैनलों के साथ अपने लेजर बीम का मार्गदर्शन करता है, द्वारा बनाया गया है जी झांग और चीन में शंघाई जिओ टोंग विश्वविद्यालय में सहकर्मी। नई तकनीक पारंपरिक कण त्वरक के कॉम्पैक्ट, सस्ते विकल्प के विकास की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम हो सकती है।

In an LWFA, a dense plasma is created by focusing an intense laser pulse into a gas. As it moves through the gas, the pulse creates a region of alternating electric fields – a “wakefield” – that resembles a water wave that forms in the wake of a moving boat.

इन तरंगों की सवारी करके, प्लाज्मा के भीतर इलेक्ट्रॉनों को बहुत कम दूरी पर बहुत उच्च ऊर्जा तक त्वरित किया जा सकता है। परिणामस्वरूप, यह तकनीक पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में बहुत छोटे त्वरक विकसित करने की बड़ी संभावनाएं दिखाती है। ऐसे कॉम्पैक्ट उपकरण चिकित्सा और अनुसंधान अनुप्रयोगों के लिए बहुत उपयोगी होंगे।

पुन:इंजेक्शन संकट

इलेक्ट्रॉनों को सापेक्ष गति तक पहुंचने के लिए, त्वरण कई बार होना चाहिए, जिसमें एक LWFA चरण से इलेक्ट्रॉनों को अगले में इंजेक्ट किया जाता है। टीम सदस्य के रूप में यह आसान नहीं है मिन चेन explains, “since the wake is tens of microns size and its velocity is very close to the speed of light, the electron reinjection is extremely difficult”. While some recent studies have achieved reinjection using techniques such as plasma lenses, researchers have only managed to inject a small fraction of electrons into a second stage.

In 2018 Zhang and Chen’s team introduced a new approach as Chen describes, “In our scheme, the electrons always travel inside a straight plasma channel, where they can be focused by the laser wakefield. The second fresh laser is then guided by a curved plasma channel and merged into the straight channel, just like a highway ramp.”

प्रत्येक नए चरण की शुरुआत में इलेक्ट्रॉनों को इंजेक्ट करने के बजाय, उन्हें एक अखंड चरण के साथ यात्रा करने की अनुमति देकर, यह दृष्टिकोण शोधकर्ताओं को त्वरण के दौरान कहीं अधिक कणों को बनाए रखने में सक्षम करेगा।

डगमगाता प्लाज्मा

सबसे पहले, टीम का लक्ष्य अतिमहत्वाकांक्षी प्रतीत हो सकता है। यदि कोई किरण सीधे चैनल के साथ विलय होते समय थोड़ा सा भी केंद्र से दूर थी, तो यह प्लाज्मा वेकफील्ड को डगमगाने का कारण बन सकता है - इलेक्ट्रॉनों को उनके सीधे पथ से दूर फेंक सकता है, और उनका त्वरण कम हो सकता है।

Zhang’s team addressed this challenge by varying the curvature of the channel, which created variations in the density of the plasma inside. With just the right curvature, the researchers found that they could stop the laser beam’s positioning from oscillating – so that when electrons were injected into the straight part of the channel, the resulting wakefield was stable enough to accelerate the particles to higher speeds.

अपने नवीनतम प्रयोगों के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने अपने दृष्टिकोण का एक और लाभ खोजा। "हमने पाया कि कुछ मामलों में, न केवल लेजर को निर्देशित किया जा सकता है, बल्कि यह घुमावदार चैनल के अंदर एक वेकफील्ड भी उत्पन्न कर सकता है और इलेक्ट्रॉनों को तेज कर सकता है," चेन बताते हैं। “आम तौर पर ये केवल सीधे प्लाज्मा चैनल में पाए जाते थे। इसका मतलब है कि लेजर और उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों दोनों को ऐसे घुमावदार प्लाज्मा चैनल में निर्देशित किया जा सकता है।

टीम का मानना ​​है कि इसके शुरुआती नतीजे एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर हैं। "हमारा प्रयोग दिखाता है कि कैसे सापेक्षतावादी इलेक्ट्रॉनों को एक घुमावदार प्लाज्मा चैनल द्वारा स्थिर रूप से निर्देशित किया जा सकता है, जो कि हमारी चरणबद्ध वेकफील्ड त्वरण योजना का महत्वपूर्ण कदम है," चेन कहते हैं। "भविष्य में, ऐसे चैनलों का उपयोग वेकफील्ड त्वरण और इलेक्ट्रॉन मार्गदर्शन के लिए किया जा सकता है।"

If they can demonstrate higher numbers of acceleration stages using multiple curved channels, Zhang’s team hopes that teraelectronvolt energies may one day be within reach for LWFAs at just a fraction of the size and cost of modern particle accelerators. “For the moment, we can say our study solves a critical step for staged laser wakefield acceleration and shows the potential for a compact synchrotron radiation source,” Chen says.

में अनुसंधान वर्णित है फिजिकल रिव्यू लेटर्स.

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