Máy gia tốc hạt mới được điều khiển bởi chùm tia laze cong – Physics World

Máy gia tốc hạt mới được điều khiển bởi chùm tia laze cong – Physics World

Dấu thời gian: 18:2023 chiều ngày 12 tháng 05 năm XNUMX
Nút nguồn: 2772776

Tia sáng
Ý tưởng hay: các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã tìm ra một phương pháp mới để tăng tốc các electron bằng xung ánh sáng. (Được phép: iStock/7io)

Một máy gia tốc trường đánh thức bằng laze (LWFA) dẫn các chùm tia laze của nó dọc theo các kênh cong trong khi gia tốc các electron đã được tạo ra bởi kiết Trương và các đồng nghiệp tại Đại học Jiao Tong Thượng Hải ở Trung Quốc. Kỹ thuật mới này có thể là một bước quan trọng hướng tới sự phát triển của các phương án nhỏ gọn, rẻ tiền thay thế cho các máy gia tốc hạt thông thường.

Trong LWFA, plasma đậm đặc được tạo ra bằng cách tập trung xung laser cường độ cao vào chất khí. Khi nó di chuyển trong chất khí, xung tạo ra một vùng điện trường xen kẽ – “trường đánh thức” – giống như sóng nước hình thành khi một chiếc thuyền đang di chuyển.

Bằng cách cưỡi những sóng này, các electron trong plasma có thể được gia tốc đến năng lượng rất cao trong khoảng cách rất ngắn. Kết quả là, kỹ thuật này cho thấy nhiều hứa hẹn để phát triển các máy gia tốc nhỏ hơn nhiều so với các hệ thống thông thường. Những thiết bị nhỏ gọn như vậy sẽ rất hữu ích cho các ứng dụng y tế và nghiên cứu.

Tai ương tái tiêm

Để các electron đạt được tốc độ tương đối tính, quá trình tăng tốc phải xảy ra nhiều lần, với các electron từ một giai đoạn LWFA được đưa vào giai đoạn tiếp theo. Điều này không dễ dàng, vì thành viên trong nhóm Min Chen giải thích, “vì tia sáng có kích thước hàng chục micron và vận tốc của nó rất gần với tốc độ ánh sáng nên việc phóng lại electron là cực kỳ khó khăn”. Trong khi một số nghiên cứu gần đây đã đạt được sự tái tiêm bằng cách sử dụng các kỹ thuật như thấu kính plasma, thì các nhà nghiên cứu chỉ mới tiêm được một phần nhỏ điện tử vào giai đoạn thứ hai.

Vào năm 2018, nhóm của Zhang và Chen đã giới thiệu một phương pháp tiếp cận mới như Chen mô tả: “Trong sơ đồ của chúng tôi, các electron luôn di chuyển bên trong một kênh plasma thẳng, nơi chúng có thể được tập trung bởi trường đánh thức laser. Sau đó, tia laser mới thứ hai được dẫn hướng bởi một kênh plasma cong và hợp nhất thành kênh thẳng, giống như đoạn đường nối trên đường cao tốc.”

Bằng cách cho phép các electron di chuyển dọc theo một giai đoạn không bị gián đoạn, thay vì bơm chúng vào đầu mỗi giai đoạn mới, phương pháp này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu giữ lại nhiều hạt hơn trong quá trình gia tốc.

plasma dao động

Lúc đầu, mục tiêu của đội có vẻ quá tham vọng. Nếu một chùm thậm chí hơi lệch tâm khi nó hợp nhất với kênh thẳng, thì nó có thể khiến trường đánh thức plasma dao động – ném các electron ra khỏi quỹ đạo thẳng của chúng và làm giảm gia tốc của chúng.

Nhóm của Zhang đã giải quyết thách thức này bằng cách thay đổi độ cong của kênh, tạo ra sự thay đổi về mật độ plasma bên trong. Với độ cong vừa phải, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng họ có thể ngăn chặn sự dao động định vị của chùm tia laser – sao cho khi các electron được đưa vào phần thẳng của kênh, trường đánh thức thu được đủ ổn định để tăng tốc các hạt lên tốc độ cao hơn.

Thông qua các thí nghiệm mới nhất của họ, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một lợi thế nữa của phương pháp của họ. Chen giải thích: “Chúng tôi nhận thấy rằng trong một số trường hợp, tia laser không chỉ có thể được dẫn hướng mà còn có thể tạo ra một trường đánh thức bên trong kênh cong và gia tốc các electron. “Thông thường những thứ này chỉ được tìm thấy trong kênh plasma thẳng. Điều đó có nghĩa là cả laser và electron năng lượng cao đều có thể được dẫn hướng trong kênh plasma cong như vậy.”

Nhóm nghiên cứu tin rằng kết quả ban đầu của nó là một cột mốc quan trọng. “Thí nghiệm của chúng tôi cho thấy các electron tương đối tính có thể được dẫn hướng ổn định như thế nào bởi một kênh plasma cong, đây là bước quan trọng trong sơ đồ gia tốc trường đánh thức theo giai đoạn của chúng tôi,” Chen nói. “Trong tương lai, những kênh như vậy có thể được sử dụng để tăng tốc trường đánh thức và dẫn hướng điện tử.”

Nếu họ có thể chứng minh số lượng giai đoạn tăng tốc cao hơn bằng cách sử dụng nhiều kênh cong, thì nhóm của Zhang hy vọng rằng một ngày nào đó năng lượng teraelectronvolt có thể nằm trong tầm tay của LWFA với kích thước và chi phí chỉ bằng một phần nhỏ kích thước và chi phí của các máy gia tốc hạt hiện đại. Chen cho biết: “Hiện tại, chúng tôi có thể nói rằng nghiên cứu của chúng tôi đã giải quyết được một bước quan trọng trong việc tăng tốc trường đánh lửa bằng laser theo giai đoạn và cho thấy tiềm năng của nguồn bức xạ synchrotron nhỏ gọn”.

Nghiên cứu được mô tả trong Physical Review Letters.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý