新しい粒子加速器は湾曲したレーザービームによって駆動される – Physics World

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タイムスタンプ：18年2023月12日05:XNUMX
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閃光
素晴らしいアイデア: 中国の研究者は、光パルスを使用して電子を加速する新しい方法を発見しました。 (提供: iStock/7io)

電子を加速しながら、湾曲したチャネルに沿ってレーザービームを導くレーザー航跡場加速器（LWFA）が、 ジャン・ジエ と中国の上海交通大学の同僚たち。 この新しい技術は、従来の粒子加速器に代わるコンパクトで安価な代替品の開発に向けた重要な一歩となる可能性がある。

LWFA では、強力なレーザー パルスをガスに集中させることによって高密度プラズマが生成されます。 ガス中を移動する際、パルスは、ボートの航跡で形成される水の波に似た、交流電場の領域、つまり「航跡場」を作成します。

これらの波に乗ることで、プラズマ内の電子は非常に短い距離で非常に高いエネルギーまで加速されます。 その結果、この技術は従来のシステムよりもはるかに小さい加速器の開発に大きな期待を寄せています。 このようなコンパクトなデバイスは、医療および研究用途に非常に役立ちます。

再注射の問題

電子が相対論的速度に達するには、ある LWFA ステージからの電子が次の LWFA ステージに注入されることで、加速が複数回行われる必要があります。 チームメンバーとして、これは簡単ではありません ミンチェン 「航跡のサイズは数十ミクロンであり、その速度は光速に非常に近いため、電子の再注入は非常に困難です」と彼は説明します。 最近の研究の中には、プラズマレンズなどの技術を使用して再注入を達成したものもありますが、研究者が第 XNUMX ステージに注入できたのは電子のほんの一部だけです。

2018 年、Zhang 氏と Chen 氏のチームは、Chen 氏が説明するように新しいアプローチを導入しました。 次に、XNUMX 番目の新鮮なレーザーは、高速道路のランプのように、湾曲したプラズマ チャネルによって導かれ、直線チャネルに統合されます。」

このアプローチにより、新しいステージの開始時に電子を注入するのではなく、途切れることのない XNUMX つのステージに沿って電子を移動させることで、研究者は加速中にはるかに多くの粒子を保持できるようになります。

ゆらぐプラズマ

最初は、チームの目標は野心的すぎるように見えたかもしれません。 ビームが直線チャネルと合流するときに少しでも中心から外れると、プラズマ航跡場がぐらつき、電子が直線経路から外れ、加速が低下する可能性があります。

チャン氏のチームは、チャネルの曲率を変えることでこの課題に取り組み、これにより内部のプラズマ密度に変化が生じた。 研究者らは、曲率を適切に設定することで、レーザー ビームの位置の振動を防ぐことができることを発見しました。そのため、電子がチャネルの直線部分に注入されたときに、結果として生じる航跡場は粒子をより高速に加速するのに十分な安定性を得ることができました。

最新の実験を通じて、研究者らは彼らのアプローチのさらなる利点を発見しました。 「場合によっては、レーザーを誘導できるだけでなく、湾曲したチャネル内に航跡場を生成し、電子を加速できることもわかりました」とチェン氏は説明します。 「通常、これらは直線の血漿チャネルでのみ見つかりました。 これは、レーザーと高エネルギー電子の両方をそのような湾曲したプラズマチャネル内で誘導できることを意味します。」

チームは、その初期の結果が重要なマイルストーンであると信じています。 「私たちの実験は、相対論的電子が湾曲したプラズマチャネルによってどのように安定して導かれるかを示しています。これは、段階的な航跡場加速計画の重要なステップです」とチェン氏は言う。 「将来的には、そのようなチャネルは航跡場の加速と電子の誘導に使用される可能性があります。」

複数の湾曲チャネルを使用してより多くの加速段階を実証できれば、いつか現代の粒子加速器の数分の一のサイズとコストで、テラ電子ボルトのエネルギーが LWFA で利用できるようになるかもしれない、と Zhang のチームは期待している。 「現時点では、私たちの研究は段階的なレーザー航跡場加速の重要なステップを解決し、コンパクトな放射光源の可能性を示していると言えます」とチェン氏は言う。

研究はで説明されています Physical Review Lettersに.

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