A nanorészecskék 10 GeV-ra növelik a lézeres wakefield gyorsítót – Physics World

Egy rendkívül stabil lézeres wakefield gyorsítót hoztak létre Bjorn Manuel Hegelich az austini Texasi Egyetemen és egy nemzetközi csapatban. Készülékük nanorészecskéket használ, hogy az elektronokat közvetlenül a plazmahullámba helyezze, és az elektronokat akár 10 GeV energiára is felgyorsítja.

Először 1979-ben javasolták a lézeres wakefield-gyorsítást, amely lehetőséget kínál olyan kompakt részecskegyorsítók létrehozására, amelyek képesek elérni olyan energiákat, amelyek általában kilométeres méretű létesítmények birtokában vannak.

A gyorsítási folyamat magában foglalja egy intenzív lézerimpulzus begyújtását egy kis sűrűségű gáz cellába. A fény ionizálja a gáz atomjait és molekuláit, így plazmát hoz létre. A lézerimpulzus legnagyobb intenzitású területein az elektromos tér elválasztja a könnyű elektronokat a nehezebb ionoktól. Amint az impulzus elmúlt, az elektronok visszarohannak az ionokhoz, és plazmahullámot indítanak el, amely úgy terjed át a sejten, mint egy hajó nyomában.

Hatalmas gradiens

Ennek a plazmahullámnak oszcilláló elektromos mezője van, amely hasonlít az elektromágneses hullámokhoz, amelyek a részecskéket a hagyományos gyorsítókon keresztül hajtják át – de a plazma hullámhossza sokkal rövidebb. Az eredmény egy olyan gyorsulási gradiens, amely három nagyságrenddel nagyobb lehet, mint a hagyományos gyorsítókban.

Az elmúlt néhány évtizedben a fizikusok számos fontos mérföldkövet értek el a lézeres wakefield-gyorsító tervezésének és működésének tökéletesítésében. A stabil elektronsugarak előállítása azonban továbbra is jelentős kihívást jelent. Az egyik fontos probléma, hogyan biztosítható, hogy a gyorsítandó elektronok a megfelelő helyen legyenek a megfelelő időben, hogy a legtöbbet hozhassák ki a wakefieldből.

Tanulmányukban Hegelich csapata ezt a kihívást egy módosított gyorsító-beállítással oldotta meg, amely egy eltávolítható fémlemezt tartalmaz egy hélium gázcella alján. A gyorsítási folyamat azzal kezdődik, hogy egy segédlézerből impulzust bocsátanak ki a lemezre. Ezáltal alumínium nanorészecskék szabadulnak fel, amelyek egyenletesen keverednek a gázzal.

A gázt ezután erős impulzussal ionizálják a Texas Petawatt lézer, amely létrehozza a plazmát és elektronokat is felszabadít a nanorészecskékből.

Jó hely jó idő

„A nanorészecskék éppen a megfelelő ponton és a megfelelő időben szabadítanak fel elektronokat, tehát mind ott ülnek a hullámban” – magyarázza Hegelich. „Sokkal több elektront juttatunk a hullámba, amikor és ahol szeretnénk, ahelyett, hogy statisztikailag oszlanánk el a teljes kölcsönhatásban.”

Az új részecskegyorsítót íves lézersugarak hajtják

Ennek eredményeként a csapat sokkal stabilabb és konzisztensebb elektronsugarat tudott előállítani, mint a korábbi tervek. 4–10 GeV energiájú nyalábokat hoztak létre egy mindössze 10 cm hosszú eszközből. Összehasonlításképpen, a hamburgi európai XFEL lineáris gyorsítója 17 km-es távolságon keresztül 2.1 GeV-ra gyorsítja az elektronokat.

A kutatóknak egyelőre nincs megfelelő elméleti megértése arról, hogy rendszerük miért működik olyan jól, ezért a nanoméretű mechanizmusok részletesebb feltárását tervezik.

A csapat reméli, hogy a lézeres wakefield-gyorsítók jövő generációi profitálnak majd a kutatásból. A praktikus, szoba méretű gyorsítók fejlesztése számos területen hasznos lehet, beleértve az anyagtudományt, az orvosi képalkotást és a rákterápiát.

A kutatás leírása a Anyag és sugárzás a szélsőségekben.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-give-laser-wakefield-accelerator-a-boost-to-10-gev/