Ny partikkelakselerator drives av buede laserstråler – Physics World

En laser wakefield akselerator (LWFA) som leder laserstrålene langs buede kanaler mens akselererende elektroner er laget av Jie Zhang og kolleger ved Shanghai Jiao Tong University i Kina. Den nye teknikken kan være et viktig skritt mot utviklingen av kompakte, rimelige alternativer til konvensjonelle partikkelakseleratorer.

I en LWFA skapes et tett plasma ved å fokusere en intens laserpuls inn i en gass. Når den beveger seg gjennom gassen, skaper pulsen et område med vekslende elektriske felt - et "våknefelt" - som ligner en vannbølge som dannes i kjølvannet av en båt i bevegelse.

Ved å ri på disse bølgene kan elektroner i plasmaet akselereres til svært høye energier over svært korte avstander. Som et resultat viser denne teknikken et stort løfte for å utvikle akseleratorer som er mye mindre enn konvensjonelle systemer. Slike kompakte enheter vil være svært nyttige for medisinske og forskningsapplikasjoner.

Reinjeksjonsproblemer

For at elektroner skal nå relativistiske hastigheter, må akselerasjonen skje flere ganger, med elektroner fra ett LWFA-trinn som injiseres inn i det neste. Dette er ikke lett som teammedlem Min Chen forklarer, "siden kjølvannet er titalls mikron størrelse og hastigheten er veldig nær lysets hastighet, er elektroninjeksjonen ekstremt vanskelig". Mens noen nyere studier har oppnådd reinjeksjon ved bruk av teknikker som plasmalinser, har forskere bare klart å injisere en liten brøkdel av elektroner i et andre trinn.

I 2018 introduserte Zhang og Chens team en ny tilnærming som Chen beskriver, "I vårt opplegg reiser elektronene alltid inne i en rett plasmakanal, hvor de kan fokuseres av laserens våknefelt. Den andre friske laseren blir deretter styrt av en buet plasmakanal og slått sammen i den rette kanalen, akkurat som en motorveisrampe."

Ved å la elektronene bevege seg langs ett ubrutt stadium, i stedet for å injisere dem i begynnelsen av hvert nytt stadium, ville denne tilnærmingen gjøre det mulig for forskerne å beholde langt flere av partiklene under akselerasjon.

Vaklende plasma

Til å begynne med kunne lagets mål ha virket overambisiøst. Hvis en stråle til og med var litt utenfor sentrum da den smeltet sammen med den rette kanalen, kunne det få plasma-våknefeltet til å vingle – kaste elektronene fra deres rette baner og redusere akselerasjonen.

Zhangs team tok tak i denne utfordringen ved å variere krumningen til kanalen, noe som skapte variasjoner i tettheten til plasmaet inni. Med akkurat den rette krumningen fant forskerne at de kunne stoppe laserstrålens posisjonering fra å oscillere – slik at når elektroner ble injisert i den rette delen av kanalen, var det resulterende våknefeltet stabilt nok til å akselerere partiklene til høyere hastigheter.

Ny elektronakselerator kombinerer laser- og plasma-wakefield-teknikker

Gjennom sine siste eksperimenter oppdaget forskerne en ytterligere fordel ved deres tilnærming. "Vi fant at i noen tilfeller kan laseren ikke bare styres, den kan også generere et våknefelt inne i den buede kanalen og akselerere elektroner," forklarer Chen. "Vanligvis ble disse bare funnet i en rett plasmakanal. Det betyr at både laser- og høyenergielektroner kan ledes i en slik buet plasmakanal."

Teamet mener at de tidlige resultatene er en viktig milepæl. "Vårt eksperiment viser hvordan relativistiske elektroner kan styres stabilt av en buet plasmakanal, som er det kritiske trinnet i vårt iscenesatte wakefield-akselerasjonsskjema," sier Chen. "I fremtiden kan slike kanaler brukes til våknefeltakselerasjon og elektronstyring."

Hvis de kan demonstrere høyere antall akselerasjonstrinn ved å bruke flere buede kanaler, håper Zhangs team at teraelektronvolt-energier en dag kan være innen rekkevidde for LWFA-er til bare en brøkdel av størrelsen og kostnadene til moderne partikkelakseleratorer. "For øyeblikket kan vi si at studien vår løser et kritisk trinn for trinnvis laservåknefeltakselerasjon og viser potensialet for en kompakt synkrotronstrålingskilde," sier Chen.

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Bil / elbiler, Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• BlockOffsets. Modernisering av eierskap for miljøkompensasjon. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/