Ny partikelaccelerator drivs av böjda laserstrålar – Physics World

Ny partikelaccelerator drivs av böjda laserstrålar – Physics World

Tidsstämpel: 18 juli 2023 12:05

Glimt av ljus
Ljus idé: forskare i Kina har hittat ett nytt sätt att accelerera elektroner med hjälp av ljuspulser. (Med tillstånd: iStock/7io)

En laser wakefield accelerator (LWFA) som styr sina laserstrålar längs krökta kanaler medan accelererande elektroner har skapats av Jie Zhang och kollegor vid Shanghai Jiao Tong University i Kina. Den nya tekniken kan vara ett viktigt steg mot utvecklingen av kompakta, billiga alternativ till konventionella partikelacceleratorer.

I en LWFA skapas en tät plasma genom att fokusera en intensiv laserpuls till en gas. När den rör sig genom gasen skapar pulsen ett område av växlande elektriska fält - ett "vaknfält" - som liknar en vattenvåg som bildas i spåren av en båt i rörelse.

Genom att rida på dessa vågor kan elektroner i plasman accelereras till mycket höga energier över mycket korta avstånd. Som ett resultat visar denna teknik mycket lovande för att utveckla acceleratorer som är mycket mindre än konventionella system. Sådana kompakta anordningar skulle vara mycket användbara för medicinska och forskningsapplikationer.

Återinjektion elände

För att elektroner ska nå relativistiska hastigheter måste accelerationen ske flera gånger, med elektroner från ett LWFA-steg som injiceras i nästa. Det här är inte lätt som gruppmedlem Min Chen förklarar, "eftersom kölvattnet är tiotals mikrometer och dess hastighet är mycket nära ljusets hastighet, är elektronåterinjiceringen extremt svår". Medan vissa nyligen genomförda studier har uppnått återinjicering med tekniker som plasmalinser, har forskare bara lyckats injicera en liten bråkdel av elektroner i ett andra steg.

Under 2018 introducerade Zhang och Chens team ett nytt tillvägagångssätt som Chen beskriver: "I vårt schema färdas elektronerna alltid inuti en rak plasmakanal, där de kan fokuseras av laservakenfältet. Den andra färska lasern styrs sedan av en krökt plasmakanal och slås samman i den raka kanalen, precis som en motorvägsramp."

Genom att låta elektronerna färdas längs ett obrutet steg, istället för att injicera dem i början av varje nytt steg, skulle detta tillvägagångssätt göra det möjligt för forskarna att behålla mycket mer av partiklarna under acceleration.

Vacklande plasma

Till en början kunde lagets mål ha verkat överambitiöst. Om en stråle till och med var något förskjuten när den smälte samman med den raka kanalen, kunde det få plasmavakfältet att vackla - kasta bort elektronerna från deras raka banor och minska deras acceleration.

Zhangs team tog sig an denna utmaning genom att variera kanalens krökning, vilket skapade variationer i plasmatätheten inuti. Med precis rätt krökning fann de att de kunde stoppa laserstrålens positionering från att oscillera – så att när elektroner injicerades i den raka delen av kanalen var det resulterande vakfältet tillräckligt stabilt för att accelerera partiklarna till högre hastigheter.

Genom sina senaste experiment upptäckte forskarna ytterligare en fördel med deras tillvägagångssätt. "Vi fann att i vissa fall kan lasern inte bara styras, den kan också generera ett wakefield inuti den krökta kanalen och accelerera elektroner," förklarar Chen. "Vanligtvis hittades dessa bara i en rak plasmakanal. Det betyder att både laser- och högenergielektroner kan styras i en sådan krökt plasmakanal."

Teamet anser att dess tidiga resultat är en viktig milstolpe. "Vårt experiment visar hur relativistiska elektroner stabilt kan styras av en krökt plasmakanal, vilket är det kritiska steget i vårt stegvisa wakefield-accelerationsschema", säger Chen. "I framtiden kan sådana kanaler användas för wakefield-acceleration och elektronstyrning."

Om de kan demonstrera ett högre antal accelerationssteg med hjälp av flera krökta kanaler, hoppas Zhangs team att teraelektronvoltenergier en dag kan vara inom räckhåll för LWFAs till bara en bråkdel av storleken och kostnaden för moderna partikelacceleratorer. "För tillfället kan vi säga att vår studie löser ett kritiskt steg för stegrad laservakefältsacceleration och visar potentialen för en kompakt synkrotronstrålningskälla", säger Chen.

Forskningen beskrivs i Fysiska granskningsbrev.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden