Nanohiukkaset antavat laserwakefield-kiihdytin 10 GeV:iin – Physics World

Erittäin vakaa laser-wakefield-kiihdytin on luotu Björn Manuel Hegelich Texasin yliopistossa Austinissa ja kansainvälinen tiimi. Heidän laitteensa käyttää nanohiukkasia sijoittamaan elektroneja suoraan plasma-aaltoaan kiihdyttäen elektronit jopa 10 GeV:n energioihin.

Ensimmäistä kertaa vuonna 1979 ehdotettu laser-wakefield-kiihdytys tarjoaa tavan luoda kompakteja hiukkaskiihdyttimiä, jotka voivat saavuttaa energian, joka on normaalisti kilometrikokoisten tilojen varassa.

Kiihdytysprosessi sisältää voimakkaan laserpulssin ampumisen pieneen matalatiheyksiseen kaasukennoon. Valo ionisoi kaasussa olevat atomit ja molekyylit muodostaen plasman. Laserpulssin voimakkaimmilla alueilla sähkökenttä erottaa kevyet elektronit raskaammista ioneista. Kun pulssi on ohi, elektronit ryntäävät takaisin ioneihin laukaisemalla plasma-aallon, joka etenee solun läpi aivan kuten veneen jälki.

Valtava gradientti

Tällä plasmaaallolla on värähtelevä sähkökenttä, joka muistuttaa sähkömagneettisia aaltoja, jotka ajavat hiukkasia tavanomaisten kiihdyttimien läpi – mutta plasman aallonpituus on paljon lyhyempi. Tuloksena on kiihtyvyysgradientti, joka voi olla kolme suuruusluokkaa suurempi kuin tavanomaisissa kiihdyttimissä.

Muutaman viime vuosikymmenen aikana fyysikot ovat saavuttaneet useita tärkeitä virstanpylväitä parantaessaan laserwakefield-kiihdytin suunnittelua ja toimintaa. Stabiilien elektronisuihkun tuottaminen on kuitenkin edelleen merkittävä haaste. Yksi tärkeä ongelma on, miten varmistetaan, että kiihdytettävät elektronit ovat oikeassa paikassa oikeaan aikaan, jotta herätyskentästä saadaan kaikki irti.

Hegelichin tiimi otti tutkimuksessaan tämän haasteen vastaan ​​modifioidulla kiihdytinkokoonpanolla, jossa heliumkaasukennon pohjassa on irrotettava metallilevy. Kiihdytysprosessi alkaa ampumalla pulssi apulaserista levyyn. Tämä vapauttaa alumiinin nanohiukkasia, jotka sekoittuvat tasaisesti kaasun kanssa.

Kaasu ionisoidaan sitten voimakkaalla pulssilla Texas Petawatt Laser, joka luo plasman ja vapauttaa myös elektroneja nanohiukkasista.

Oikea paikka, oikea aika

"Nanohiukkaset vapauttavat elektroneja juuri oikeassa kohdassa ja juuri oikeaan aikaan, joten ne ovat kaikki siellä aallossa", Hegelich selittää. "Saamme paljon enemmän elektroneja aaltoon silloin ja missä haluamme niiden olevan sen sijaan, että ne olisivat tilastollisesti jakautuneet koko vuorovaikutukseen."

Uutta hiukkaskiihdytintä ohjataan kaarevilla lasersäteillä

Tämän seurauksena tiimi pystyi tuottamaan paljon vakaampia ja johdonmukaisempia elektronisäteitä kuin aiemmat mallit. Ne synnyttivät säteitä 4–10 GeV:n energioilla laitteesta, joka oli vain 10 cm pitkä. Vertailun vuoksi Hampurissa sijaitsevan Euroopan XFEL:n lineaarinen kiihdytin kiihdyttää elektroneja 17 GeV:iin 2.1 km:n matkalla.

Toistaiseksi tutkijoilla ei ole hyvää teoreettista ymmärrystä siitä, miksi heidän järjestelmänsä toimii niin hyvin, joten he suunnittelevat tutkivansa nanomittakaavan mekanismeja tarkemmin.

Ryhmä toivoo, että laserwakefield-kiihdytinten tulevat sukupolvet hyötyvät tutkimuksestaan. Käytännön, huoneen kokoisten kiihdyttimien kehittäminen voisi olla hyödyllistä monilla aloilla, mukaan lukien materiaalitiede, lääketieteellinen kuvantaminen ja syöpähoito.

Tutkimusta kuvataan Materia ja säteily ääripäissä.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-give-laser-wakefield-accelerator-a-boost-to-10-gev/