ナノ粒子によりレーザー航跡場加速器が 10 GeV に向上 – Physics World

安定性の高いレーザー航跡場加速器が開発されました。 ビョルン・マヌエル・ヘーゲリッヒ テキサス大学オースティン校と国際チームで。 彼らのデバイスは、ナノ粒子を使用して電子をプラズマ波に直接投入し、電子を 10 GeV もの高エネルギーまで加速します。

1979 年に初めて提案されたレーザー航跡場加速は、通常はキロメートル規模の施設が保管するエネルギーに到達できるコンパクトな粒子加速器を作成する方法を提供します。

加速プロセスには、低密度ガスの小さなセルに強力なレーザー パルスを発射することが含まれます。 光はガス中の原子や分子をイオン化し、プラズマを生成します。 レーザーパルスの最高強度領域では、電場によって軽い電子が重いイオンから分離されます。 パルスが通過すると、電子はイオンに急いで戻り、ボートの後流のようにセル内を伝播するプラズマ波を引き起こします。

巨大な勾配

このプラズマ波は、従来の加速器を通して粒子を駆動する電磁波に似た振動電場を持っていますが、プラズマの波長ははるかに短いです。 その結果、従来の加速器よりも XNUMX 桁も大きな加速勾配が得られます。

過去数十年にわたり、物理学者はレーザー航跡場加速器の設計と運用を完成させる上でいくつかの重要なマイルストーンを達成してきました。 しかし、安定した電子ビームを生成することは依然として大きな課題です。 重要な問題の XNUMX つは、航跡場を最大限に活用するために、加速される電子を適切なタイミングで適切な場所に確実に配置する方法です。

研究では、ヘーゲリッヒ氏のチームは、ヘリウムガスセルの底部に取り外し可能な金属プレートを備えた改良された加速器セットアップを使用して、この課題に取り組みました。 加速プロセスは、プレートに補助レーザーからパルスを照射することで始まります。 これによりアルミニウムのナノ粒子が放出され、ガスと均一に混合します。

次にガスは、からの強力なパルスによってイオン化されます。 テキサスペタワットレーザー、プラズマを生成し、ナノ粒子から電子も放出します。

適切な場所に適切なタイミング

「ナノ粒子は適切なポイントと適切なタイミングで電子を放出するため、ナノ粒子はすべて波の中に存在します」とヘーゲリッヒ氏は説明します。 「相互作用全体にわたって統計的に分布するのではなく、希望するときに、希望する場所に、はるかに多くの電子を波に取り込むことができます。」

新しい粒子加速器は湾曲したレーザービームによって駆動される

その結果、チームは以前の設計よりもはるかに安定して一貫した電子ビームを生成することができました。 彼らは、長さわずか 4 cm の装置から 10 ～ 10 GeV のエネルギーでビームを生成しました。 比較すると、ハンブルクにあるヨーロッパ XFEL の線形加速器は、17 km の距離にわたって電子を 2.1 GeV まで加速します。

今のところ、研究者らは自分たちのシステムがなぜこれほどうまく機能するのか理論的に十分に理解していないため、ナノスケールのメカニズムをさらに詳しく調査する予定だ。

研究チームは、次世代のレーザー航跡場加速器が彼らの研究から恩恵を受けることを期待している。 実用的な室内サイズの加速器の開発は、材料科学、医療画像処理、がん治療などの幅広い分野で役立つ可能性がある。

研究はで説明されています 極限での物質と放射.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/nanoparticles-give-laser-wakefield-accelerator-a-boost-to-10-gev/