Nanopartiklar ger laserns wakefield-accelerator en boost till 10 GeV – Physics World

En mycket stabil laser wakefield accelerator har skapats av Björn Manuel Hegelich vid University of Texas i Austin och ett internationellt team. Deras enhet använder nanopartiklar för att sätta elektroner direkt i sin plasmavåg, vilket accelererar elektronerna till energier så höga som 10 GeV.

Först föreslogs 1979, laservågfältsacceleration erbjuder ett sätt att skapa kompakta partikelacceleratorer som kan nå energier som normalt är förbehållna kilometerstora anläggningar.

Accelerationsprocessen innebär att en intensiv laserpuls avfyras i en liten cell av lågdensitetsgas. Ljuset joniserar atomer och molekyler i gasen för att skapa ett plasma. I de områden med högst intensitet av laserpulsen, separerar det elektriska fältet de lätta elektronerna från de tyngre jonerna. När pulsen har passerat rusar elektronerna tillbaka till jonerna och utlöser en plasmavåg som fortplantar sig genom cellen ungefär som en båts kölvatten.

Enorm gradient

Denna plasmavåg har ett oscillerande elektriskt fält som liknar de elektromagnetiska vågorna som driver partiklar genom konventionella acceleratorer – men plasmavåglängden är mycket kortare. Resultatet är en accelerationsgradient som kan vara tre storleksordningar större än de som finns i konventionella acceleratorer.

Under de senaste decennierna har fysiker uppnått flera viktiga milstolpar när det gäller att fullända designen och driften av laservågfältsacceleratorn. Det är dock fortfarande en betydande utmaning att producera stabila elektronstrålar. Ett viktigt problem är hur man säkerställer att elektronerna som ska accelereras är på rätt plats vid rätt tidpunkt för att få ut det mesta av wakefield.

I sin studie tacklade Hegelichs team denna utmaning med en modifierad acceleratoruppsättning som har en avtagbar metallplatta i botten av en heliumgascell. Accelerationsprocessen börjar med att en puls avfyras från en hjälplaser mot plattan. Detta frigör nanopartiklar av aluminium, som blandas jämnt med gasen.

Gasen joniseras sedan med en kraftig puls från Texas Petawatt Laser, som skapar plasman och även frigör elektroner från nanopartiklarna.

Rätt plats, rätt tid

"Nanopartiklarna släpper ut elektroner vid precis rätt punkt och precis rätt tidpunkt, så de sitter alla där i vågen", förklarar Hegelich. "Vi får in mycket fler elektroner i vågen när och var vi vill att de ska vara, snarare än statistiskt fördelade över hela interaktionen."

Ny partikelaccelerator drivs av böjda laserstrålar

Som ett resultat kunde teamet producera mycket mer stabila och konsekventa elektronstrålar än tidigare konstruktioner. De genererade strålar med energier i 4–10 GeV, från en enhet som bara var 10 cm lång. Som jämförelse accelererar linjäracceleratorn vid Europeiska XFEL i Hamburg elektroner till 17 GeV över en sträcka av 2.1 km.

För närvarande har forskarna ingen bra teoretisk förståelse för varför deras system fungerar så bra, så de planerar att utforska nanoskalmekanismerna mer i detalj.

Teamet hoppas att framtida generationer av laser wakefield acceleratorer kommer att dra nytta av deras forskning. Utvecklingen av praktiska acceleratorer i rumsstorlek kan vara användbar inom ett brett spektrum av områden, inklusive materialvetenskap, medicinsk bildbehandling och cancerterapi.

Forskningen beskrivs i Materia och strålning vid extremer.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-give-laser-wakefield-accelerator-a-boost-to-10-gev/