Nieuwe deeltjesversneller wordt aangedreven door gebogen laserstralen - Physics World

Nieuwe deeltjesversneller wordt aangedreven door gebogen laserstralen - Physics World

Tijdstempel: 18 juli 2023 12:05 uur
Bronknooppunt: 2772776

Flitslicht
Briljant idee: onderzoekers in China hebben een nieuwe manier gevonden om elektronen te versnellen met lichtpulsen. (Met dank aan iStock/7io)

Een laser wakefield accelerator (LWFA) die zijn laserstralen langs gebogen kanalen geleidt terwijl elektronen worden versneld, is gemaakt door Jie Zhang en collega's aan de Shanghai Jiao Tong University in China. De nieuwe techniek zou een belangrijke stap kunnen zijn in de richting van de ontwikkeling van compacte, goedkope alternatieven voor conventionele deeltjesversnellers.

In een LWFA wordt een dicht plasma gecreëerd door een intense laserpuls in een gas te focusseren. Terwijl hij door het gas beweegt, creëert de puls een gebied van wisselende elektrische velden – een ‘wakefield’ – dat lijkt op een watergolf die zich vormt in het kielzog van een bewegende boot.

Door op deze golven te rijden, kunnen elektronen in het plasma worden versneld tot zeer hoge energieën over zeer korte afstanden. Als gevolg hiervan is deze techniek veelbelovend voor het ontwikkelen van versnellers die veel kleiner zijn dan conventionele systemen. Dergelijke compacte apparaten zouden erg handig zijn voor medische en onderzoekstoepassingen.

Herinjectie ellende

Om elektronen relativistische snelheden te laten bereiken, moet de versnelling meerdere keren plaatsvinden, waarbij elektronen van de ene LWFA-trap in de volgende worden geïnjecteerd. Dit is niet eenvoudig, als teamlid Mijn Chen legt uit: “aangezien het zog tientallen microns groot is en de snelheid zeer dicht bij de snelheid van het licht ligt, is de herinjectie van elektronen uiterst moeilijk”. Hoewel sommige recente onderzoeken herinjectie hebben bereikt met behulp van technieken zoals plasmalenzen, zijn onderzoekers er slechts in geslaagd een klein deel van de elektronen in een tweede trap te injecteren.

In 2018 introduceerde het team van Zhang en Chen een nieuwe aanpak, zoals Chen beschrijft: “In ons schema reizen de elektronen altijd binnen een recht plasmakanaal, waar ze kunnen worden gefocusseerd door het laserwakeveld. De tweede nieuwe laser wordt vervolgens geleid door een gebogen plasmakanaal en samengevoegd in het rechte kanaal, net als een snelweghelling.”

Door de elektronen langs één ononderbroken fase te laten reizen, in plaats van ze aan het begin van elke nieuwe fase te injecteren, zou deze benadering de onderzoekers in staat stellen veel meer deeltjes vast te houden tijdens versnelling.

Wiebelend plasma

In eerste instantie leek het doel van het team misschien te ambitieus. Als een bundel zelfs maar een klein beetje uit het midden zou staan ​​toen hij samenvloeide met het rechte kanaal, zou het plasma-wakefield kunnen gaan wiebelen, waardoor de elektronen van hun rechte baan worden gegooid en hun versnelling afneemt.

Het team van Zhang ging deze uitdaging aan door de kromming van het kanaal te variëren, waardoor variaties in de dichtheid van het plasma binnenin ontstonden. Met precies de juiste kromming ontdekten de onderzoekers dat ze konden voorkomen dat de laserstraal ging oscilleren – zodat wanneer elektronen in het rechte deel van het kanaal werden geïnjecteerd, het resulterende wakefield stabiel genoeg was om de deeltjes naar hogere snelheden te versnellen.

Door hun laatste experimenten ontdekten de onderzoekers nog een voordeel van hun aanpak. "We ontdekten dat in sommige gevallen de laser niet alleen kan worden geleid, maar ook een wakefield in het gebogen kanaal kan genereren en elektronen kan versnellen", legt Chen uit. “Meestal werden deze alleen gevonden in een recht plasmakanaal. Het betekent dat zowel laser als hoogenergetische elektronen in zo'n gebogen plasmakanaal kunnen worden geleid."

Het team is van mening dat de eerste resultaten een belangrijke mijlpaal zijn. "Ons experiment laat zien hoe relativistische elektronen stabiel kunnen worden geleid door een gebogen plasmakanaal, wat de cruciale stap is van ons gefaseerde wakefield-versnellingsschema", zegt Chen. "In de toekomst zouden dergelijke kanalen kunnen worden gebruikt voor wakefield-versnelling en elektronengeleiding."

Als ze een groter aantal versnellingstrappen kunnen aantonen met behulp van meerdere gebogen kanalen, hoopt het team van Zhang dat tera-elektronvolt-energieën op een dag binnen bereik kunnen zijn voor LWFA's tegen slechts een fractie van de omvang en de kosten van moderne deeltjesversnellers. "Op dit moment kunnen we zeggen dat onze studie een cruciale stap voor gefaseerde laser-wakefield-versnelling heeft opgelost en het potentieel voor een compacte synchrotronstralingsbron laat zien", zegt Chen.

Het onderzoek is beschreven in Physical Review Letters.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld