नया कण त्वरक घुमावदार लेजर बीम द्वारा संचालित होता है - भौतिकी विश्व

नया कण त्वरक घुमावदार लेजर बीम द्वारा संचालित होता है - भौतिकी विश्व

समय टिकट: 18 जुलाई, 2023 12:05 अपराह्न

प्रकाश की चमक
उज्ज्वल विचार: चीन में शोधकर्ताओं ने प्रकाश की तरंगों का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को गति देने का एक नया तरीका खोजा है। (सौजन्य: iStock/7io)

एक लेजर वेकफील्ड एक्सेलेरेटर (एलडब्ल्यूएफए) जो इलेक्ट्रॉनों को तेज करते हुए घुमावदार चैनलों के साथ अपने लेजर बीम का मार्गदर्शन करता है, द्वारा बनाया गया है जी झांग और चीन में शंघाई जिओ टोंग विश्वविद्यालय में सहकर्मी। नई तकनीक पारंपरिक कण त्वरक के कॉम्पैक्ट, सस्ते विकल्प के विकास की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम हो सकती है।

एलडब्ल्यूएफए में, एक तीव्र लेजर पल्स को गैस में केंद्रित करके एक सघन प्लाज्मा बनाया जाता है। जैसे ही यह गैस के माध्यम से आगे बढ़ता है, पल्स वैकल्पिक विद्युत क्षेत्रों का एक क्षेत्र बनाता है - एक "वेकफील्ड" - जो एक पानी की लहर जैसा दिखता है जो चलती नाव के मद्देनजर बनता है।

इन तरंगों की सवारी करके, प्लाज्मा के भीतर इलेक्ट्रॉनों को बहुत कम दूरी पर बहुत उच्च ऊर्जा तक त्वरित किया जा सकता है। परिणामस्वरूप, यह तकनीक पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में बहुत छोटे त्वरक विकसित करने की बड़ी संभावनाएं दिखाती है। ऐसे कॉम्पैक्ट उपकरण चिकित्सा और अनुसंधान अनुप्रयोगों के लिए बहुत उपयोगी होंगे।

पुन:इंजेक्शन संकट

इलेक्ट्रॉनों को सापेक्ष गति तक पहुंचने के लिए, त्वरण कई बार होना चाहिए, जिसमें एक LWFA चरण से इलेक्ट्रॉनों को अगले में इंजेक्ट किया जाता है। टीम सदस्य के रूप में यह आसान नहीं है मिन चेन बताते हैं, "चूंकि वेक दसियों माइक्रोमीटर आकार का है और इसका वेग प्रकाश की गति के बहुत करीब है, इसलिए इलेक्ट्रॉन पुन: इंजेक्शन बेहद मुश्किल है"। जबकि कुछ हालिया अध्ययनों ने प्लाज़्मा लेंस जैसी तकनीकों का उपयोग करके पुन: इंजेक्शन प्राप्त किया है, शोधकर्ता केवल इलेक्ट्रॉनों के एक छोटे अंश को दूसरे चरण में इंजेक्ट करने में कामयाब रहे हैं।

2018 में, झांग और चेन की टीम ने एक नया दृष्टिकोण पेश किया जैसा कि चेन बताते हैं, “हमारी योजना में, इलेक्ट्रॉन हमेशा एक सीधे प्लाज्मा चैनल के अंदर यात्रा करते हैं, जहां उन्हें लेजर वेकफील्ड द्वारा केंद्रित किया जा सकता है। फिर दूसरे ताज़ा लेज़र को एक घुमावदार प्लाज़्मा चैनल द्वारा निर्देशित किया जाता है और एक राजमार्ग रैंप की तरह, सीधे चैनल में विलय कर दिया जाता है।

प्रत्येक नए चरण की शुरुआत में इलेक्ट्रॉनों को इंजेक्ट करने के बजाय, उन्हें एक अखंड चरण के साथ यात्रा करने की अनुमति देकर, यह दृष्टिकोण शोधकर्ताओं को त्वरण के दौरान कहीं अधिक कणों को बनाए रखने में सक्षम करेगा।

डगमगाता प्लाज्मा

सबसे पहले, टीम का लक्ष्य अतिमहत्वाकांक्षी प्रतीत हो सकता है। यदि कोई किरण सीधे चैनल के साथ विलय होते समय थोड़ा सा भी केंद्र से दूर थी, तो यह प्लाज्मा वेकफील्ड को डगमगाने का कारण बन सकता है - इलेक्ट्रॉनों को उनके सीधे पथ से दूर फेंक सकता है, और उनका त्वरण कम हो सकता है।

झांग की टीम ने चैनल की वक्रता को अलग-अलग करके इस चुनौती का समाधान किया, जिससे अंदर प्लाज्मा के घनत्व में भिन्नता पैदा हुई। सही वक्रता के साथ, उन्होंने पाया कि वे लेजर बीम की स्थिति को दोलन से रोक सकते हैं - ताकि जब इलेक्ट्रॉनों को चैनल के सीधे हिस्से में इंजेक्ट किया जाए, तो परिणामी वेकफील्ड कणों को उच्च गति तक तेज करने के लिए पर्याप्त स्थिर हो।

अपने नवीनतम प्रयोगों के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने अपने दृष्टिकोण का एक और लाभ खोजा। "हमने पाया कि कुछ मामलों में, न केवल लेजर को निर्देशित किया जा सकता है, बल्कि यह घुमावदार चैनल के अंदर एक वेकफील्ड भी उत्पन्न कर सकता है और इलेक्ट्रॉनों को तेज कर सकता है," चेन बताते हैं। “आम तौर पर ये केवल सीधे प्लाज्मा चैनल में पाए जाते थे। इसका मतलब है कि लेजर और उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों दोनों को ऐसे घुमावदार प्लाज्मा चैनल में निर्देशित किया जा सकता है।

टीम का मानना ​​है कि इसके शुरुआती नतीजे एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर हैं। "हमारा प्रयोग दिखाता है कि कैसे सापेक्षतावादी इलेक्ट्रॉनों को एक घुमावदार प्लाज्मा चैनल द्वारा स्थिर रूप से निर्देशित किया जा सकता है, जो कि हमारी चरणबद्ध वेकफील्ड त्वरण योजना का महत्वपूर्ण कदम है," चेन कहते हैं। "भविष्य में, ऐसे चैनलों का उपयोग वेकफील्ड त्वरण और इलेक्ट्रॉन मार्गदर्शन के लिए किया जा सकता है।"

यदि वे कई घुमावदार चैनलों का उपयोग करके त्वरण चरणों की उच्च संख्या प्रदर्शित कर सकते हैं, तो झांग की टीम को उम्मीद है कि टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट ऊर्जा एक दिन आधुनिक कण त्वरक के आकार और लागत के एक अंश पर एलडब्ल्यूएफए के लिए पहुंच के भीतर हो सकती है। चेन कहते हैं, "फिलहाल, हम कह सकते हैं कि हमारा अध्ययन चरणबद्ध लेजर वेकफील्ड त्वरण के लिए एक महत्वपूर्ण कदम हल करता है और एक कॉम्पैक्ट सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत की क्षमता दिखाता है।"

में अनुसंधान वर्णित है फिजिकल रिव्यू लेटर्स.

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