Наночастицы ускоряют лазерный ускоритель кильватерного поля до 10 ГэВ

Высокостабильный лазерный ускоритель кильватерного поля создан Бьёрн Мануэль Хегелич в Техасском университете в Остине и международной команде. Их устройство использует наночастицы для помещения электронов непосредственно в плазменную волну, ускоряя электроны до энергий до 10 ГэВ.

Впервые предложенное в 1979 году, лазерное ускорение в кильватерном поле предлагает способ создания компактных ускорителей частиц, которые могут достигать энергий, которые обычно являются прерогативой объектов километровых размеров.

Процесс ускорения включает в себя попадание мощного лазерного импульса в небольшую ячейку с газом низкой плотности. Свет ионизирует атомы и молекулы газа, создавая плазму. В областях лазерного импульса с самой высокой интенсивностью электрическое поле отделяет легкие электроны от более тяжелых ионов. Как только импульс проходит, электроны устремляются обратно к ионам, вызывая плазменную волну, которая распространяется по клетке, подобно следу от лодки.

Огромный градиент

Эта плазменная волна имеет колеблющееся электрическое поле, напоминающее электромагнитные волны, которые прогоняют частицы через обычные ускорители, но длина волны плазмы намного короче. В результате получается градиент ускорения, который может быть на три порядка больше, чем в обычных ускорителях.

За последние несколько десятилетий физики достигли нескольких важных вех в совершенствовании конструкции и работы лазерного ускорителя кильватерного поля. Однако получение стабильных электронных пучков остается серьезной проблемой. Одна из важных проблем заключается в том, как обеспечить, чтобы ускоряемые электроны находились в нужном месте в нужное время, чтобы максимально эффективно использовать кильватерное поле.

В своем исследовании команда Хегелича решила эту проблему с помощью модифицированной установки ускорителя, в которой имеется съемная металлическая пластина в нижней части гелиевой ячейки. Процесс ускорения начинается с подачи на пластину импульса вспомогательного лазера. При этом высвобождаются наночастицы алюминия, которые равномерно смешиваются с газом.

Затем газ ионизируется мощным импульсом от Техасский петаваттный лазер, который создает плазму, а также высвобождает электроны из наночастиц.

В нужном месте, в нужное время

«Наночастицы высвобождают электроны в нужный момент и в нужное время, поэтому все они находятся в волне», — объясняет Хегелич. «Мы получаем гораздо больше электронов в волне тогда и там, где мы хотим, чтобы они были, а не статистически распределены по всему взаимодействию».

Новый ускоритель частиц приводится в движение изогнутыми лазерными лучами

В результате команда смогла производить гораздо более стабильные и последовательные электронные пучки, чем предыдущие разработки. Они генерировали пучки с энергией 4–10 ГэВ на устройстве длиной всего 10 см. Для сравнения: линейный ускоритель европейского XFEL в Гамбурге ускоряет электроны до энергии 17 ГэВ на расстоянии 2.1 км.

На данный момент у исследователей нет хорошего теоретического понимания того, почему их система работает так хорошо, поэтому они планируют изучить наномеханизмы более подробно.

Команда надеется, что будущие поколения лазерных ускорителей кильватерного поля извлекут пользу из их исследований. Разработка практичных ускорителей размером с комнату может быть полезна в широком спектре областей, включая материаловедение, медицинскую визуализацию и терапию рака.

Исследование описано в Материя и излучение в экстремальных условиях.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-give-laser-wakefield-accelerator-a-boost-to-10-gev/