Ο νέος επιταχυντής σωματιδίων κινείται από καμπύλες ακτίνες λέιζερ – Physics World

Ο νέος επιταχυντής σωματιδίων κινείται από καμπύλες ακτίνες λέιζερ – Physics World

Χρονική σήμανση: 18 Ιουλίου 2023 12:05 μ.μ.

Λάμψη φωτός
Φωτεινή ιδέα: ερευνητές στην Κίνα βρήκαν έναν νέο τρόπο για να επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιώντας παλμούς φωτός. (Ευγενική προσφορά: iStock/7io)

Ένας επιταχυντής λέιζερ wakefield (LWFA) που καθοδηγεί τις ακτίνες λέιζερ του κατά μήκος καμπύλων καναλιών ενώ επιταχύνει τα ηλεκτρόνια δημιουργήθηκε από Τζι Ζανγκ και συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο Shanghai Jiao Tong στην Κίνα. Η νέα τεχνική θα μπορούσε να είναι ένα βασικό βήμα προς την ανάπτυξη συμπαγών, φθηνών εναλλακτικών λύσεων σε σχέση με τους συμβατικούς επιταχυντές σωματιδίων.

Σε ένα LWFA, ένα πυκνό πλάσμα δημιουργείται εστιάζοντας έναν έντονο παλμό λέιζερ σε ένα αέριο. Καθώς κινείται μέσα στο αέριο, ο παλμός δημιουργεί μια περιοχή εναλλασσόμενων ηλεκτρικών πεδίων - ένα «πεδίο αφύπνισης» - που μοιάζει με ένα κύμα νερού που σχηματίζεται στον απόηχο μιας κινούμενης βάρκας.

Οδηγώντας αυτά τα κύματα, τα ηλεκτρόνια μέσα στο πλάσμα μπορούν να επιταχυνθούν σε πολύ υψηλές ενέργειες σε πολύ μικρές αποστάσεις. Ως αποτέλεσμα, αυτή η τεχνική δείχνει πολλά υποσχόμενα για την ανάπτυξη επιταχυντών που είναι πολύ μικρότεροι από τα συμβατικά συστήματα. Τέτοιες συμπαγείς συσκευές θα ήταν πολύ χρήσιμες για ιατρικές και ερευνητικές εφαρμογές.

Δυστυχήματα επανέγχυσης

Για να φτάσουν τα ηλεκτρόνια σχετικιστικές ταχύτητες, η επιτάχυνση πρέπει να συμβεί πολλές φορές, με τα ηλεκτρόνια από το ένα στάδιο LWFA να εγχέονται στο επόμενο. Αυτό δεν είναι εύκολο, ως μέλος της ομάδας Μιν Τσεν εξηγεί, «δεδομένου ότι το απόκρυμμα έχει μέγεθος δεκάδων μικρομέτρων και η ταχύτητά του είναι πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός, η επανέγχυση ηλεκτρονίων είναι εξαιρετικά δύσκολη». Ενώ ορισμένες πρόσφατες μελέτες έχουν επιτύχει επανέγχυση χρησιμοποιώντας τεχνικές όπως οι φακοί πλάσματος, οι ερευνητές κατάφεραν να εγχύσουν μόνο ένα μικρό κλάσμα ηλεκτρονίων σε ένα δεύτερο στάδιο.

Το 2018, η ομάδα του Zhang και του Chen εισήγαγε μια νέα προσέγγιση όπως περιγράφει ο Chen, «Στο σχήμα μας, τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν πάντα μέσα σε ένα ευθύ κανάλι πλάσματος, όπου μπορούν να εστιαστούν από το πεδίο λέιζερ. Το δεύτερο φρέσκο ​​λέιζερ στη συνέχεια καθοδηγείται από ένα καμπύλο κανάλι πλάσματος και συγχωνεύεται στο ευθύ κανάλι, ακριβώς όπως μια ράμπα αυτοκινητόδρομου».

Επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να ταξιδεύουν κατά μήκος ενός αδιάσπαστου σταδίου, αντί να τα εγχέουν στην αρχή κάθε νέου σταδίου, αυτή η προσέγγιση θα επέτρεπε στους ερευνητές να διατηρήσουν πολύ περισσότερα από τα σωματίδια κατά την επιτάχυνση.

Πλάσμα που ταλαντεύεται

Στην αρχή, ο στόχος της ομάδας μπορεί να φαινόταν υπερβολικά φιλόδοξος. Εάν μια δέσμη ήταν έστω και ελαφρώς εκτός κέντρου καθώς συγχωνευόταν με το ευθύ κανάλι, θα μπορούσε να προκαλέσει ταλάντωση του πεδίου αφύπνισης του πλάσματος - ρίχνοντας τα ηλεκτρόνια από τις ευθείες διαδρομές τους και μειώνοντας την επιτάχυνσή τους.

Η ομάδα του Zhang αντιμετώπισε αυτή την πρόκληση μεταβάλλοντας την καμπυλότητα του καναλιού, η οποία δημιούργησε διακυμάνσεις στην πυκνότητα του πλάσματος στο εσωτερικό. Με ακριβώς τη σωστή καμπυλότητα, ανακάλυψαν ότι μπορούσαν να σταματήσουν την ταλάντωση της θέσης της δέσμης λέιζερ – έτσι ώστε όταν τα ηλεκτρόνια εγχύονταν στο ευθύ τμήμα του καναλιού, το προκύπτον wakefield ήταν αρκετά σταθερό για να επιταχύνει τα σωματίδια σε υψηλότερες ταχύτητες.

Μέσω των τελευταίων πειραμάτων τους, οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα επιπλέον πλεονέκτημα της προσέγγισής τους. «Διαπιστώσαμε ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, όχι μόνο μπορεί το λέιζερ να καθοδηγηθεί, αλλά μπορεί επίσης να δημιουργήσει ένα wakefield μέσα στο καμπύλο κανάλι και να επιταχύνει τα ηλεκτρόνια», εξηγεί ο Chen. «Συνήθως αυτά βρέθηκαν μόνο σε ευθύ κανάλι πλάσματος. Σημαίνει ότι τόσο το λέιζερ όσο και τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας μπορούν να καθοδηγηθούν σε τέτοιο καμπύλο κανάλι πλάσματος».

Η ομάδα πιστεύει ότι τα πρώτα της αποτελέσματα είναι ένα σημαντικό ορόσημο. «Το πείραμά μας δείχνει πώς τα σχετικιστικά ηλεκτρόνια μπορούν να καθοδηγούνται σταθερά από ένα καμπύλο κανάλι πλάσματος, το οποίο είναι το κρίσιμο βήμα του σταδιακού σχήματος επιτάχυνσης wakefield», λέει ο Chen. «Στο μέλλον, τέτοια κανάλια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για επιτάχυνση wakefield και καθοδήγηση ηλεκτρονίων».

Εάν μπορούν να επιδείξουν υψηλότερους αριθμούς σταδίων επιτάχυνσης χρησιμοποιώντας πολλαπλά καμπύλα κανάλια, η ομάδα του Zhang ελπίζει ότι οι ενέργειες τεραηλεκτρονβολτ μπορεί μια μέρα να είναι προσιτές για LWFA σε ένα μόνο κλάσμα του μεγέθους και του κόστους των σύγχρονων επιταχυντών σωματιδίων. «Προς το παρόν, μπορούμε να πούμε ότι η μελέτη μας επιλύει ένα κρίσιμο βήμα για τη σταδιακή επιτάχυνση wakefield με λέιζερ και δείχνει τη δυνατότητα για μια συμπαγή πηγή ακτινοβολίας σύγχροτρον», λέει ο Chen.

Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής