Новый ускоритель частиц работает на изогнутых лазерных лучах

Лазерный ускоритель кильватерного поля (LWFA), который направляет свои лазерные лучи по изогнутым каналам, ускоряя электроны, был создан Цзе Чжан и коллеги из Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае. Новый метод может стать ключевым шагом на пути к разработке компактных и недорогих альтернатив традиционным ускорителям частиц.

В LWFA плотная плазма создается путем фокусировки интенсивного лазерного импульса в газ. Проходя через газ, импульс создает область переменного электрического поля — «волновое поле», которое напоминает волну на воде, формирующуюся в кильватерном следе движущейся лодки.

С помощью этих волн электроны в плазме могут быть ускорены до очень высоких энергий на очень коротких расстояниях. В результате этот метод показывает большие перспективы для разработки ускорителей, которые намного меньше, чем обычные системы. Такие компактные устройства были бы очень полезны для медицинских и исследовательских целей.

Проблемы повторной инъекции

Чтобы электроны достигли релятивистских скоростей, ускорение должно происходить несколько раз, при этом электроны с одной ступени LWFA инжектируются в следующую. Это непросто, поскольку член команды Мин Чен объясняет, «поскольку размер следа составляет десятки микрометров, а его скорость очень близка к скорости света, повторная инжекция электрона чрезвычайно затруднена». В то время как в некоторых недавних исследованиях была достигнута повторная инжекция с использованием таких методов, как плазменные линзы, исследователям удалось ввести только небольшую часть электронов во вторую ступень.

В 2018 году команда Чжана и Чена представила новый подход, как описывает Чен: «В нашей схеме электроны всегда движутся внутри прямого плазменного канала, где они могут быть сфокусированы лазерным кильватерным полем. Затем второй свежий лазер направляется по изогнутому плазменному каналу и вливается в прямой канал, как съезд на шоссе».

Позволяя электронам двигаться по одному непрерывному этапу, вместо того, чтобы вводить их в начале каждого нового этапа, этот подход позволит исследователям удерживать гораздо больше частиц во время ускорения.

Колебания плазмы

Поначалу цель команды могла показаться чрезмерно амбициозной. Если луч был даже немного смещен от центра при слиянии с прямым каналом, это могло вызвать колебание плазменного кильватерного поля, сбивая электроны с их прямого пути и уменьшая их ускорение.

Команда Чжана решила эту проблему, изменив кривизну канала, что привело к изменению плотности плазмы внутри. Они обнаружили, что с помощью правильной кривизны они могут предотвратить колебания позиционирования лазерного луча, так что, когда электроны инжектируются в прямую часть канала, результирующее кильватерное поле было достаточно стабильным, чтобы ускорять частицы до более высоких скоростей.

Новый ускоритель электронов сочетает в себе методы лазерного и плазменного кильватерного поля

Благодаря своим последним экспериментам исследователи обнаружили еще одно преимущество своего подхода. «Мы обнаружили, что в некоторых случаях лазер может не только управляться, но и генерировать кильватерное поле внутри изогнутого канала и ускорять электроны», — объясняет Чен. «Обычно их находили только в прямом плазменном канале. Это означает, что в таком искривленном плазменном канале можно направлять как лазерные, так и высокоэнергетические электроны».

Команда считает, что ее первые результаты являются важной вехой. «Наш эксперимент показывает, как релятивистские электроны могут стабильно направляться изогнутым плазменным каналом, что является критическим шагом в нашей схеме поэтапного ускорения кильватерного поля», — говорит Чен. «В будущем такие каналы можно будет использовать для ускорения кильватерного поля и направления электронов».

Команда Чжана надеется, что если они смогут продемонстрировать большее количество ступеней ускорения с использованием нескольких изогнутых каналов, то энергия в тераэлектронвольты может однажды стать доступной для LWFA при размере и стоимости современных ускорителей частиц. «На данный момент мы можем сказать, что наше исследование решает критический шаг для поэтапного ускорения лазерного кильватерного поля и показывает потенциал компактного источника синхротронного излучения», — говорит Чен.

Исследование описано в Physical Review Letters,.

• 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. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/