Các hạt nano giúp máy gia tốc trường đánh laser tăng lên 10 GeV

Các hạt nano giúp máy gia tốc trường đánh laser tăng lên 10 GeV

Dấu thời gian: Ngày 15 tháng 2023 năm 5 43:XNUMX sáng

Máy gia tốc trường đánh lửa bằng laser
Nhỏ bé nhưng tràn đầy năng lượng: pin khí này là thành phần chính của máy gia tốc trường đánh lửa bằng laser nhỏ gọn được phát triển tại Đại học Texas ở Austin. (Được phép: Bjorn Manuel Hegelich)

Một máy gia tốc trường đánh laser có độ ổn định cao đã được tạo ra bởi Bjorn Manuel Hegelich tại Đại học Texas ở Austin và một nhóm quốc tế. Thiết bị của họ sử dụng các hạt nano để đưa các electron trực tiếp vào sóng plasma của nó, tăng tốc các electron lên mức năng lượng cao tới 10 GeV.

Được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1979, khả năng tăng tốc trường đánh lửa bằng laser mang đến một phương pháp tạo ra các máy gia tốc hạt nhỏ gọn có thể đạt tới mức năng lượng thường dành cho các cơ sở có kích thước hàng km.

Quá trình tăng tốc bao gồm việc bắn một xung laser cường độ cao vào một tế bào nhỏ chứa khí mật độ thấp. Ánh sáng làm ion hóa các nguyên tử và phân tử trong khí để tạo ra plasma. Ở vùng cường độ cao nhất của xung laser, điện trường tách các electron nhẹ khỏi các ion nặng hơn. Khi xung đã qua, các electron sẽ quay trở lại các ion, tạo ra sóng plasma lan truyền qua tế bào giống như sóng đánh của một chiếc thuyền.

Độ dốc lớn

Sóng plasma này có điện trường dao động giống như sóng điện từ truyền các hạt qua máy gia tốc thông thường – nhưng bước sóng plasma ngắn hơn nhiều. Kết quả là một gradient gia tốc có thể lớn hơn ba bậc độ lớn so với gradient gia tốc được tìm thấy trong các máy gia tốc thông thường.

Trong vài thập kỷ qua, các nhà vật lý đã đạt được một số cột mốc quan trọng trong việc hoàn thiện thiết kế và vận hành máy gia tốc trường đánh laser. Tuy nhiên, việc tạo ra các chùm electron ổn định vẫn là một thách thức lớn. Một vấn đề quan trọng là làm thế nào để đảm bảo rằng các electron được tăng tốc ở đúng nơi, đúng thời điểm để tận dụng tối đa trường đánh thức.

Trong nghiên cứu của họ, nhóm của Hegelich đã giải quyết thách thức này bằng một thiết lập máy gia tốc đã được sửa đổi có một tấm kim loại có thể tháo rời ở đáy bình khí heli. Quá trình tăng tốc bắt đầu bằng cách bắn một xung từ tia laser phụ vào tấm. Điều này giải phóng các hạt nano nhôm, trộn đều với khí.

Khí sau đó bị ion hóa bằng một xung mạnh từ Texas Petawatt Laser, tạo ra plasma và cũng giải phóng các electron từ các hạt nano.

Đúng nơi, đúng lúc

Hegelich giải thích: “Các hạt nano giải phóng các electron vào đúng điểm và đúng thời điểm, vì vậy tất cả chúng đều nằm trong sóng”. “Chúng tôi nhận được nhiều electron hơn vào sóng khi và ở nơi chúng tôi muốn, thay vì phân bố theo thống kê trong toàn bộ tương tác.”

Kết quả là đội nghiên cứu có thể tạo ra các chùm electron ổn định và nhất quán hơn nhiều so với các thiết kế trước đó. Họ tạo ra các chùm tia có năng lượng trong khoảng 4–10 GeV từ một thiết bị chỉ dài 10 cm. Để so sánh, máy gia tốc tuyến tính tại XFEL Châu Âu ở Hamburg tăng tốc các electron lên 17 GeV trên khoảng cách 2.1 km.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu chưa hiểu rõ lý thuyết tại sao hệ thống của họ hoạt động tốt như vậy, vì vậy họ dự định khám phá các cơ chế cấp nano một cách chi tiết hơn.

Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng các thế hệ máy gia tốc trường đánh laser trong tương lai sẽ được hưởng lợi từ nghiên cứu của họ. Sự phát triển của các máy gia tốc thực tế có kích thước bằng căn phòng có thể hữu ích trên nhiều lĩnh vực bao gồm khoa học vật liệu, hình ảnh y tế và liệu pháp điều trị ung thư.

Nghiên cứu được mô tả trong Vật chất và bức xạ ở cực.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý