Az új részecskegyorsítót íves lézersugarak hajtják – Physics World

Lézeres wakefield-gyorsítót (LWFA), amely a lézersugarakat ívelt csatornákon vezeti, miközben gyorsítja az elektronokat Jie Zhang és munkatársai a kínai Shanghai Jiao Tong Egyetemen. Az új technika kulcsfontosságú lépés lehet a hagyományos részecskegyorsítók kompakt, olcsó alternatíváinak kifejlesztése felé.

Az LWFA-ban sűrű plazma jön létre az intenzív lézerimpulzus gázba fókuszálásával. Ahogy áthalad a gázon, az impulzus váltakozó elektromos mezőket hoz létre – egy „wakefieldet” –, amely egy mozgó csónak nyomában kialakuló vízhullámhoz hasonlít.

E hullámok meglovagolásával a plazmában lévő elektronok nagyon nagy energiákra gyorsulhatnak fel nagyon rövid távolságokon. Ennek eredményeként ez a technika nagy ígéretet mutat a hagyományos rendszereknél jóval kisebb gyorsítók fejlesztésében. Az ilyen kompakt eszközök nagyon hasznosak lennének orvosi és kutatási alkalmazásokban.

Újrainjekciós bajok

Ahhoz, hogy az elektronok relativisztikus sebességet érjenek el, a gyorsulásnak többször kell megtörténnie, és az egyik LWFA-fokozat elektronjait be kell injektálni a következőbe. Ez csapattagként nem könnyű Min Chen kifejti: „mivel a hullám több tíz mikrométer nagyságú, és sebessége nagyon közel van a fénysebességhez, az elektronok újrainjektálása rendkívül nehéz”. Míg egyes közelmúltbeli tanulmányok olyan technikák segítségével valósították meg az újrainjektálást, mint a plazma lencsék, a kutatóknak csak az elektronok egy kis részét sikerült befecskendezniük egy második szakaszba.

2018-ban Zhang és Chen csapata egy új megközelítést vezetett be, ahogyan Chen leírja: „Sémánkban az elektronok mindig egy egyenes plazmacsatornán belül haladnak, ahol a lézeres ébrenléti térrel fókuszálhatók. A második friss lézert ezután egy ívelt plazmacsatorna vezeti, és az egyenes csatornába egyesíti, akárcsak egy autópálya rámpa.

Ez a megközelítés lehetővé tenné a kutatók számára, hogy a gyorsítás során sokkal több részecskét visszatartsanak, ahelyett, hogy minden új szakasz elején injektálnák az elektronokat egy megszakítás nélküli szakaszon.

Remegő plazma

Eleinte túlambiciózusnak tűnhetett a csapat gólja. Ha egy nyaláb csak kicsit is eltér a középponttól, amikor összeolvadt az egyenes csatornával, az a plazma ébrenléti mezőjének ingadozását okozhatja, ami az elektronokat kidobja egyenes útjukról, és csökkenti a gyorsulásukat.

Zhang csapata a csatorna görbületének változtatásával oldotta meg ezt a kihívást, ami változásokat hozott létre a belsejében lévő plazma sűrűségében. Megfelelő görbülettel azt találták, hogy meg tudják akadályozni a lézersugár pozicionálását az oszcillációban – így amikor az elektronokat a csatorna egyenes részébe injektálták, a keletkező ébrenlét elég stabil volt ahhoz, hogy nagyobb sebességre gyorsítsa fel a részecskéket.

Az új elektrongyorsító egyesíti a lézeres és a plazma wakefield technikákat

Legújabb kísérleteikkel a kutatók megközelítésük további előnyét fedezték fel. „Azt találtuk, hogy bizonyos esetekben nem csak a lézer vezethető, hanem ébrenléti teret is generálhat az ívelt csatornán belül, és felgyorsíthatja az elektronokat” – magyarázza Chen. „Általában ezeket csak egy egyenes plazmacsatornában találták meg. Ez azt jelenti, hogy a lézer és a nagy energiájú elektronok is vezethetők egy ilyen ívelt plazmacsatornában.

A csapat úgy véli, hogy a korai eredmények fontos mérföldkövet jelentenek. "Kísérletünk megmutatja, hogy a relativisztikus elektronokat hogyan lehet stabilan irányítani egy ívelt plazmacsatornával, ami a fokozatos wakefield-gyorsítási rendszerünk kritikus lépése" - mondja Chen. "A jövőben az ilyen csatornákat wakefield-gyorsításra és elektronvezetésre is felhasználhatják."

Ha több ívelt csatorna használatával több gyorsulási fokozatot tudnak kimutatni, Zhang csapata reméli, hogy a teraelektronvoltos energiák egy napon elérhetőek lesznek az LWFA-k számára a modern részecskegyorsítók méretének és költségének csak töredékéért. "Jelenleg azt mondhatjuk, hogy tanulmányunk megoldja a fokozatos lézeres ébrenléti gyorsítás kritikus lépését, és megmutatja a kompakt szinkrotron sugárforrás lehetőségét" - mondja Chen.

A kutatás leírása a Fizikai áttekintés betűk.

• 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. Autóipar / elektromos járművek, Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• BlockOffsets. A környezetvédelmi ellentételezési tulajdon korszerűsítése. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/