Nov pospeševalnik delcev poganjajo ukrivljeni laserski žarki – Svet fizike

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Blisk svetlobe — Odlična ideja: raziskovalci na Kitajskem so našli nov način za pospeševanje elektronov z uporabo svetlobnih impulzov. (Z dovoljenjem: iStock/7io)

Laserski pospeševalnik wakefield (LWFA), ki vodi svoje laserske žarke po ukrivljenih kanalih, medtem ko pospešuje elektrone, je ustvaril Jie Zhang in sodelavci na univerzi Jiao Tong v Šanghaju na Kitajskem. Nova tehnika bi lahko bila ključni korak k razvoju kompaktnih, poceni alternativ običajnim pospeševalcem delcev.

V LWFA nastane gosta plazma z fokusiranjem intenzivnega laserskega impulza v plin. Ko se premika skozi plin, impulz ustvari območje izmeničnih električnih polj – »wakefield« – ki spominja na vodni val, ki se oblikuje v sledi premikajočega se čolna.

Z vožnjo po teh valovih lahko elektrone v plazmi pospešimo do zelo visokih energij na zelo kratkih razdaljah. Posledično ta tehnika veliko obeta za razvoj pospeševalnikov, ki so veliko manjši od običajnih sistemov. Takšne kompaktne naprave bi bile zelo uporabne za medicinske in raziskovalne aplikacije.

Težave s ponovnim injiciranjem

Da elektroni dosežejo relativistične hitrosti, se mora pospešek zgoditi večkrat, pri čemer se elektroni iz ene stopnje LWFA vbrizgajo v naslednjo. Kot član ekipe to ni enostavno Min Chen pojasnjuje, "ker je sled velik na desetine mikronov in je njegova hitrost zelo blizu svetlobne hitrosti, je ponovna injekcija elektronov izjemno težka". Medtem ko so nekatere nedavne študije dosegle ponovno injiciranje s tehnikami, kot so plazemske leče, je raziskovalcem uspelo v drugo stopnjo vbrizgati le majhen delež elektronov.

Leta 2018 sta Zhangova in Chenova ekipa uvedla nov pristop, kot opisuje Chen: »V naši shemi elektroni vedno potujejo znotraj ravnega plazemskega kanala, kjer jih lahko fokusira lasersko prebujeno polje. Drugi svež laser je nato voden z ukrivljenim plazemskim kanalom in se združi v ravni kanal, tako kot klančina na avtocesti.«

S tem, ko bi omogočili elektronom, da potujejo vzdolž ene neprekinjene stopnje, namesto da bi jih vbrizgali na začetku vsake nove stopnje, bi ta pristop omogočil raziskovalcem, da obdržijo veliko več delcev med pospeševanjem.

Nihajoča plazma

Sprva se je cilj ekipe morda zdel preambiciozen. Če bi bil žarek ob združitvi z ravnim kanalom celo nekoliko odmaknjen od središča, bi lahko povzročil nihanje polja plazemskega zbujanja – elektrone vrže z ravnih poti in zmanjša njihov pospešek.

Zhangova ekipa se je tega izziva lotila tako, da je spremenila ukrivljenost kanala, kar je povzročilo razlike v gostoti plazme v notranjosti. Z ravno pravo ukrivljenostjo so raziskovalci ugotovili, da bi lahko preprečili nihanje položaja laserskega žarka – tako da je bilo posledično valovno polje, ko so bili vbrizgani v ravni del kanala, dovolj stabilno, da je pospešilo delce do višjih hitrosti.

Novi pospeševalnik elektronov združuje tehnike laserskega in plazemskega wakefielda

Z najnovejšimi poskusi so raziskovalci odkrili še eno prednost svojega pristopa. "Ugotovili smo, da v nekaterih primerih laser ni mogoče samo voditi, ampak lahko ustvari tudi wakefield znotraj ukrivljenega kanala in pospeši elektrone," pojasnjuje Chen. »Običajno so jih našli le v ravnem plazemskem kanalu. To pomeni, da je mogoče tako laserske kot visokoenergetske elektrone voditi v tako ukrivljenem plazemskem kanalu.«

Ekipa verjame, da so njeni zgodnji rezultati pomemben mejnik. "Naš poskus kaže, kako lahko relativistične elektrone stabilno vodi ukrivljen plazemski kanal, kar je kritičen korak naše stopnjevane sheme pospeševanja wakefielda," pravi Chen. "V prihodnosti bi lahko takšne kanale uporabili za pospeševanje wakefielda in vodenje elektronov."

Če lahko dokažejo večje število stopenj pospeševanja z uporabo več ukrivljenih kanalov, Zhangova ekipa upa, da bodo teraelektronvoltne energije nekega dne dosegljive za LWFA s samo delčkom velikosti in stroškov sodobnih pospeševalnikov delcev. "Zaenkrat lahko rečemo, da naša študija rešuje kritičen korak za postopno pospeševanje laserskega wakefielda in kaže potencial za kompakten vir sinhrotronskega sevanja," pravi Chen.

Raziskava je opisana v Pisni pregledi fizike.