곡선 레이저 빔으로 구동되는 새로운 입자 가속기 – Physics World

전자를 가속시키면서 곡선형 채널을 따라 레이저 빔을 안내하는 LWFA(레이저 웨이크필드 가속기)가 만들어졌습니다. 장지에 그리고 중국 상하이 Jiao Tong University의 동료들. 새로운 기술은 기존의 입자 가속기에 대한 작고 저렴한 대안 개발을 향한 핵심 단계가 될 수 있습니다.

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.

이러한 파동을 타면 플라즈마 내의 전자가 매우 짧은 거리에서 매우 높은 에너지로 가속될 수 있습니다. 결과적으로 이 기술은 기존 시스템보다 훨씬 작은 가속기 개발에 큰 가능성을 보여줍니다. 이러한 소형 장치는 의료 및 연구 응용 분야에 매우 유용합니다.

재주입 문제

전자가 상대론적 속도에 도달하려면 한 LWFA 단계의 전자가 다음 단계로 주입되면서 가속이 여러 번 발생해야 합니다. 팀원으로서 쉽지 않습니다. 민 첸 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.”

모든 새로운 단계의 시작 부분에 전자를 주입하는 대신 전자가 하나의 중단되지 않은 단계를 따라 이동하도록 허용함으로써 이 접근 방식을 통해 연구원은 가속 중에 훨씬 더 많은 입자를 유지할 수 있습니다.

흔들리는 플라즈마

처음에는 팀의 목표가 지나치게 야심차게 보일 수 있습니다. 빔이 직선 채널과 병합될 때 중심에서 약간이라도 벗어나면 플라즈마 웨이크 필드가 흔들리고 전자가 직선 경로에서 벗어나 가속도가 감소할 수 있습니다.

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.

새로운 전자 가속기는 레이저와 플라즈마 웨이크필드 기술을 결합합니다.

최신 실험을 통해 연구원들은 접근 방식의 추가 이점을 발견했습니다. "어떤 경우에는 레이저를 유도할 수 있을 뿐만 아니라 곡선 채널 내부에 웨이크필드를 생성하고 전자를 가속할 수 있다는 것을 발견했습니다."라고 Chen은 설명합니다. “일반적으로 이들은 직선 플라즈마 채널에서만 발견되었습니다. 이는 레이저와 고에너지 전자 모두 이러한 곡선형 플라즈마 채널에서 안내될 수 있음을 의미합니다.”

팀은 초기 결과가 중요한 이정표라고 믿습니다. "우리의 실험은 상대론적 전자가 곡선형 플라즈마 채널에 의해 어떻게 안정적으로 유도될 수 있는지를 보여줍니다. 이는 단계별 웨이크필드 가속 체계의 중요한 단계입니다."라고 Chen은 말합니다. "미래에 이러한 채널은 웨이크필드 가속 및 전자 유도에 사용될 수 있습니다."

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.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters).

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• 출처: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/