เครื่องเร่งอนุภาคแบบใหม่ขับเคลื่อนด้วยลำแสงเลเซอร์โค้ง – Physics World

เครื่องเร่งอนุภาคแบบใหม่ขับเคลื่อนด้วยลำแสงเลเซอร์โค้ง – Physics World

ประทับเวลา: 18 กรกฎาคม 2023 12:05 น.

แสงวาบ
แนวคิดที่สดใส: นักวิจัยในประเทศจีนได้ค้นพบวิธีใหม่ในการเร่งอิเล็กตรอนโดยใช้พัลส์ของแสง (เอื้อเฟื้อ: iStock/7io)

เครื่องเร่งความเร็วเลเซอร์เวคฟิลด์ (LWFA) ที่นำลำแสงเลเซอร์ไปตามช่องโค้งในขณะที่เร่งอิเล็กตรอนถูกสร้างขึ้นโดย จี้จาง และเพื่อนร่วมงานที่ Shanghai Jiao Tong University ในประเทศจีน เทคนิคใหม่นี้อาจเป็นขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาทางเลือกที่มีขนาดกะทัดรัดและราคาไม่แพงสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคทั่วไป

ใน LWFA พลาสมาที่มีความหนาแน่นจะถูกสร้างขึ้นโดยการโฟกัสพัลส์เลเซอร์ที่เข้มข้นเข้าไปในก๊าซ ขณะที่มันเคลื่อนที่ผ่านแก๊ส พัลส์จะสร้างสนามไฟฟ้ากระแสสลับที่เรียกว่า "สนามเวค" ซึ่งคล้ายกับคลื่นน้ำที่ก่อตัวขึ้นเมื่อเรือเคลื่อนที่

โดยการขี่คลื่นเหล่านี้ อิเล็กตรอนภายในพลาสมาสามารถถูกเร่งให้มีพลังงานสูงมากในระยะทางที่สั้นมาก ผลที่ตามมา เทคนิคนี้แสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาที่ดีในการพัฒนาตัวเร่งความเร็วที่มีขนาดเล็กกว่าระบบทั่วไปมาก อุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดดังกล่าวจะมีประโยชน์มากสำหรับการใช้งานทางการแพทย์และการวิจัย

ความทุกข์ยากจากการฉีดซ้ำ

เพื่อให้อิเล็กตรอนไปถึงความเร็วสัมพัทธภาพ การเร่งความเร็วจะต้องเกิดขึ้นหลายครั้ง โดยอิเล็กตรอนจาก LWFA ขั้นหนึ่งจะถูกฉีดเข้าไปในขั้นถัดไป นี่ไม่ใช่เรื่องง่ายในฐานะสมาชิกในทีม มิน เฉิน อธิบายว่า "เนื่องจากการปลุกมีขนาดหลายสิบไมโครเมตรและความเร็วของมันใกล้เคียงกับความเร็วแสงมาก การผลักอิเล็กตรอนกลับจึงทำได้ยากมาก" แม้ว่าการศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้บางชิ้นจะประสบความสำเร็จในการฉีดกลับโดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น เลนส์พลาสมา แต่นักวิจัยก็สามารถฉีดอิเล็กตรอนเพียงเศษเสี้ยวเล็กๆ เข้าไปในขั้นตอนที่สองได้

ในปี 2018 ทีมงานของ Zhang และ Chen ได้แนะนำแนวทางใหม่ตามที่ Chen อธิบายว่า “ในโครงการของเรา อิเล็กตรอนจะเดินทางภายในช่องพลาสมาตรงเสมอ ซึ่งพวกมันสามารถโฟกัสได้ด้วยเลเซอร์เวคฟิลด์ จากนั้นเลเซอร์ใหม่ตัวที่สองจะถูกนำทางโดยช่องพลาสมาแบบโค้งและรวมเข้ากับช่องตรง เหมือนกับทางลาดบนทางหลวง”

โดยการปล่อยให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปตามระยะหนึ่งที่ไม่ขาดตอน แทนที่จะฉีดเข้าไปในจุดเริ่มต้นของทุกระยะใหม่ วิธีการนี้จะช่วยให้นักวิจัยสามารถเก็บอนุภาคไว้ได้มากขึ้นระหว่างการเร่งความเร็ว

พลาสมาโยกเยก

ในตอนแรก เป้าหมายของทีมอาจดูทะเยอทะยานเกินไป หากลำแสงอยู่นอกศูนย์กลางเล็กน้อยเมื่อรวมเข้ากับช่องตรง อาจทำให้พลาสมาเวคฟิลด์โคลงเคลงได้ ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากเส้นทางตรง และทำให้ความเร่งลดลง

ทีมของ Zhang จัดการกับความท้าทายนี้โดยการปรับความโค้งของช่อง ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความหนาแน่นของพลาสมาภายใน ด้วยความโค้งที่เหมาะสม พวกเขาพบว่าสามารถหยุดตำแหน่งของลำแสงเลเซอร์จากการสั่นได้ ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนถูกฉีดเข้าไปในส่วนตรงของช่องสัญญาณ เวคฟิลด์ที่ได้จึงมีความเสถียรเพียงพอที่จะเร่งอนุภาคให้มีความเร็วสูงขึ้น

จากการทดลองครั้งล่าสุด นักวิจัยได้ค้นพบข้อได้เปรียบเพิ่มเติมจากวิธีการของพวกเขา “เราพบว่าในบางกรณี ไม่เพียงแต่เลเซอร์นำทางเท่านั้น มันยังสามารถสร้างสนามเวคภายในช่องโค้งและเร่งอิเล็กตรอนได้ด้วย” เฉินอธิบาย “โดยปกติจะพบได้เฉพาะในช่องพลาสมาตรงเท่านั้น หมายความว่าทั้งเลเซอร์และอิเล็กตรอนพลังงานสูงสามารถนำทางในช่องพลาสมาแบบโค้งดังกล่าวได้”

ทีมงานเชื่อว่าผลลัพธ์ในช่วงแรกเป็นก้าวสำคัญ “การทดลองของเราแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนเชิงสัมพัทธภาพสามารถถูกนำทางอย่างเสถียรโดยช่องพลาสมาแบบโค้งได้อย่างไร ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญของแผนการเร่งความเร็วเวคฟิลด์แบบสเตจของเรา” เฉินกล่าว "ในอนาคต ช่องดังกล่าวสามารถใช้สำหรับการเร่งความเร็วเวคฟิลด์และการนำทางอิเล็กตรอน"

หากพวกเขาสามารถแสดงจำนวนขั้นตอนการเร่งความเร็วที่สูงขึ้นโดยใช้ช่องโค้งหลายช่อง ทีมงานของ Zhang หวังว่าวันหนึ่งพลังงานเทอเรอิเล็กตรอนโวลต์อาจเอื้อมถึงสำหรับ LWFA ด้วยขนาดและต้นทุนเพียงเล็กน้อยของเครื่องเร่งอนุภาคสมัยใหม่ “ในขณะนี้ เราสามารถพูดได้ว่าการศึกษาของเราสามารถแก้ไขขั้นตอนที่สำคัญสำหรับการเร่งความเร็วของเลเซอร์เวคฟิลด์แบบสเตจ และแสดงศักยภาพของแหล่งกำเนิดรังสีซินโครตรอนที่มีขนาดกะทัดรัด” เฉินกล่าว

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์