Nanoosakesed annavad laseri wakefieldi kiirendile tõuke kuni 10 GeV – Physics World

Väga stabiilse laser-wakefieldi kiirendi on loonud Björn Manuel Hegelich Texase ülikoolis Austinis ja rahvusvahelises meeskonnas. Nende seade kasutab nanoosakesi, et viia elektronid otse oma plasmalainesse, kiirendades elektronid kuni 10 GeV energiani.

Esmakordselt 1979. aastal välja pakutud laser-wakefieldi kiirendus pakub võimalust luua kompaktseid osakeste kiirendeid, mis suudavad saavutada energiat, mis on tavaliselt kilomeetrite suuruste rajatiste pärusmaa.

Kiirendusprotsess hõlmab intensiivse laserimpulsi tulistamist väikese tihedusega gaasi rakku. Valgus ioniseerib gaasis olevaid aatomeid ja molekule, moodustades plasma. Laserimpulsi kõrgeima intensiivsusega piirkondades eraldab elektriväli kerged elektronid raskematest ioonidest. Kui impulss on möödunud, tormavad elektronid tagasi ioonide juurde, käivitades plasmalaine, mis levib läbi raku sarnaselt paadi kiiluveega.

Tohutu gradient

Sellel plasmalainel on võnkuv elektriväli, mis sarnaneb elektromagnetlainetega, mis juhivad osakesi läbi tavaliste kiirendite, kuid plasma lainepikkus on palju lühem. Tulemuseks on kiirenduse gradient, mis võib olla kolm suurusjärku suurem kui tavalistes kiirendites.

Viimase paarikümne aasta jooksul on füüsikud saavutanud mitmeid olulisi verstaposte laser-wakefieldi kiirendi disaini ja töö täiustamisel. Stabiilsete elektronkiirte tootmine on aga endiselt suur väljakutse. Üks oluline probleem on see, kuidas tagada, et kiirendatavad elektronid oleksid õigel ajal õiges kohas, et äratusväljast maksimumi võtta.

Oma uuringus lahendas Hegelichi meeskond seda väljakutset modifitseeritud kiirendi seadistusega, millel on heeliumi gaasielemendi põhjas eemaldatav metallplaat. Kiirendusprotsess algab abilaserist impulsi laskmisega plaadile. See vabastab alumiiniumi nanoosakesed, mis segunevad ühtlaselt gaasiga.

Seejärel ioniseeritakse gaas võimsa impulsiga Texas Petawatt Laser, mis loob plasma ja vabastab ka nanoosakestest elektrone.

Õige koht, õige aeg

"Nanoosakesed vabastavad elektrone just õigel hetkel ja õigel ajal, nii et nad kõik istuvad seal laines," selgitab Hegelich. "Me saame lainele palju rohkem elektrone siis, kui ja kus me tahame, et need oleksid, selle asemel, et neid kogu interaktsioonile statistiliselt jaotada."

Uut osakeste kiirendit juhivad kõverad laserkiired

Selle tulemusel suutis meeskond toota palju stabiilsemaid ja ühtlasemaid elektronkiire kui varasemad kujundused. Nad genereerisid kõigest 4 cm pikkusest seadmest kiiri energiaga 10–10 GeV. Võrdluseks, Hamburgis asuva Euroopa XFEL-i lineaarkiirendi kiirendab elektronid 17 km kaugusel 2.1 GeV-ni.

Praegu pole teadlastel head teoreetilised arusaamad, miks nende süsteem nii hästi töötab, seega kavatsevad nad nanoskaala mehhanisme üksikasjalikumalt uurida.

Meeskond loodab, et laser-wakefieldi kiirendite tulevased põlvkonnad saavad nende uurimistööst kasu. Praktiliste ruumisuuruste kiirendite väljatöötamine võib olla kasulik paljudes valdkondades, sealhulgas materjaliteaduses, meditsiinilises pildistamises ja vähiravis.

Uuringut kirjeldatakse artiklis Aine ja kiirgus äärmuslikel juhtudel.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-give-laser-wakefield-accelerator-a-boost-to-10-gev/