Kompaktní urychlovač elektronů dosahuje nových rychlostí s ničím jiným než světlem

0
Kompaktní urychlovač elektronů dosahuje nových rychlostí s ničím jiným než světlem
Kompaktní urychlovač elektronů dosahuje nových rychlostí s ničím jiným než světlem

Snímek ze simulace, ve kterém laserový puls (červený) pohání plazmovou vlnu a urychluje elektrony ve své stopě. Jasně žlutá skvrna je oblast s nejvyšší koncentrací elektronů. V experimentu vědci použili tuto techniku ​​k urychlení elektronů téměř na rychlost světla na rozpětí pouhých 20 centimetrů. Kredit: Bo Miao/IREAP

Vědci využívající přesné řízení ultrarychlých laserů urychlili elektrony na úseku 20 centimetrů na rychlosti obvykle vyhrazené pro urychlovače částic o velikosti 10 fotbalových hřišť.

Tým z University of Maryland (UMD) vedený profesorem fyziky a elektrotechniky a počítačového inženýrství Howardem Milchbergem ve spolupráci s týmem Jorge J. Rocca z Colorado State University (CSU) dosáhl tohoto úspěchu pomocí dvou laserové pulsy poslal proudem plynného vodíku. První pulz roztrhl vodík, prorazil skrz něj díru a vytvořil kanál plazmy. Tento kanál vedl druhý, vyšší výkonový puls, který nabral elektrony ven z plazmy a táhl je za sebou, čímž je urychlil téměř na rychlost světla v procesu.

Pomocí této techniky tým urychlil elektrony na téměř 40 % energie dosažené v masivních zařízeních, jako je kilometr dlouhý Linac Coherent Light Source (LCLS), urychlovač v SLAC National Accelerator Laboratory. Práce byla přijata do časopisu Fyzický přehled X dne 1. srpna 2022.

“Toto je první multi-GeV urychlovač elektronů poháněný výhradně lasery,” říká Milchberg, který je také přidružen k Ústavu výzkumné elektroniky a aplikované fyziky na UMD. “A protože lasery jsou stále levnější a účinnější, očekáváme, že naše technika se stane pro výzkumníky v této oblasti cestou.”

Motivací pro novou práci jsou urychlovače jako LCLS, kilometr dlouhá dráha, která urychluje elektrony na 13,6 miliardy elektronvoltů (GeV) – energii elektronu, který se pohybuje rychlostí 99,99999993 % rychlosti světla. Předchůdce LCLS stojí za třemi objevy o fundamentálních částicích, které získaly Nobelovu cenu. Nyní byla třetina původního urychlovače přeměněna na LCLS a pomocí svých superrychlých elektronů generuje nejvýkonnější rentgenové laserové paprsky na světě. Vědci používají tyto rentgenové paprsky k nahlédnutí do atomů a molekul v akci a vytvářejí videa chemických reakcí. Tato videa jsou životně důležité nástroje pro objevování drog, optimalizované úschovna energieinovace v elektronice a mnoho dalšího.

Urychlit elektrony na energie desítek GeV není snadný úkol. Lineární urychlovač SLAC dodává elektronům potřebný tlak pomocí výkonných elektrických polí šířících se ve velmi dlouhé sérii segmentovaných kovových trubic. Pokud by elektrická pole byla silnější, vyvolala by uvnitř trubic bouři s blesky a vážně by je poškodila. Protože nejsou schopni tlačit elektrony tvrději, rozhodli se výzkumníci jednoduše je tlačit déle, čímž poskytují částicím větší dráhu k urychlení. Proto ten kilometrový řez napříč severní Kalifornii. Aby se tato technologie dostala do ovladatelnějšího měřítka, týmy UMD a CSU pracovaly na zesílení elektronů téměř na rychlost světla s použitím – dostatečně výstižně – světla samotného.

“Cílem je nakonec zmenšit urychlovače elektronů v měřítku GeV na skromnou místnost,” říká Jaron Shrock, postgraduální student fyziky na UMD a spoluautor práce. “Berete zařízení v kilometrovém měřítku a máte další faktor 1000 silnějšího urychlovacího pole. Takže přebíráte kilometrové měřítko na metr, to je cílem této technologie.”

Vytváření těchto silnějších urychlovacích polí v laboratoři využívá proces zvaný zrychlení laserového bdělého pole, při kterém je plazmou vysílán puls těsně zaostřeného a intenzivního laserového světla, což vytváří poruchu a táhne elektrony za sebou.

“Můžete si představit laserový puls jako loď,” říká Bo Miao, postdoktorand fyziky na University of Maryland a spoluautor práce. “Jak se laserový puls pohybuje v plazmatu, protože je tak intenzivní, vytlačuje elektrony ze své dráhy, jako voda odtlačená přídí člunu. Tyto elektrony se otočí kolem lodi a shromažďují se přímo za ní a putují dovnitř.” puls je probuzen.”

Laserové zrychlení wakefieldu bylo poprvé navrženo v roce 1979 a demonstrováno v roce 1995. Ale vzdálenost, na kterou by mohlo urychlit elektrony, zůstala tvrdošíjně omezena na několik centimetrů. To, co umožnilo týmům UMD a CSU využít zrychlení wakefieldu efektivněji než kdy předtím, byla technika, kterou tým UMD zavedl, aby zkrotil vysokoenergetický paprsek a zabránil mu v příliš tenkém šíření energie. Jejich technika prorazí plazmou díru a vytvoří vlnovod, který udržuje soustředěnou energii paprsku.

“Vlnovod umožňuje pulsu šířit se na mnohem delší vzdálenost,” vysvětluje Shrock. „Musíme použít plazmu, protože tyto pulsy mají tak vysokou energii, jsou tak jasné, že by zničily tradiční vlákno optický kabel. Plazma nemůže být zničena, protože v určitém smyslu už je.”

Jejich technika vytváří něco podobného jako kabely z optických vláken – věci, které přenášejí internetovou službu z optických vláken a další telekomunikační signály – ze vzduchu. Nebo přesněji z pečlivě tvarovaných trysek plynného vodíku.

Konvenční vlnovod z optických vláken se skládá ze dvou součástí: centrálního „jádra“ vedoucího světlo a okolního „plášťování“, které zabraňuje úniku světla ven. K vytvoření plazmového vlnovodu tým používá další laserový paprsek a proud vodíkového plynu. Jak tento přídavný „naváděcí“ laser prochází proudem, odtrhává elektrony z atomů vodíku a vytváří kanál plazmy. Plazma je horké a rychle se začíná rozpínat a vytváří plazmové „jádro“ s nižší hustotou a plyn s vyšší hustotou na jeho okraji, jako je válcový plášť. Poté je tímto kanálem vyslán hlavní laserový paprsek (ten, který bude shromažďovat elektrony ve své stopě). Úplně přední hrana tohoto pulsu přemění skořápku s vyšší hustotou také na plazmu, čímž vytvoří „plášť“.

“Je to něco jako úplně první puls vyčistí oblast,” říká Shrock, “a pak se puls s vysokou intenzitou spustí jako vlak s někým, kdo stojí vpředu a hází dolů koleje, když jede.”

Pomocí techniky opticky generovaného plazmového vlnovodu UMD v kombinaci s vysoce výkonným laserem a odbornými znalostmi týmu CSU byli vědci schopni urychlit některé ze svých elektronů na ohromujících 5 GeV. To je stále o faktor 3 méně než u masivního urychlovače SLAC a ne úplně maximum dosažené s laserovou akcelerací v wakefieldu (tato čest patří týmu v Lawrence Berkeley National Labs). Laserová energie použitá na GeV zrychlení v nové práci je však rekordní a tým tvrdí, že jejich technika je všestrannější: Může potenciálně produkovat elektronové výboje tisíckrát za sekundu (na rozdíl od zhruba jednou za sekundu), je to slibná technika pro mnoho aplikací, od vysoká energie fyziky až po generování rentgenových paprsků, které mohou pořizovat videa molekul a atomů v akci jako v LCLS. Nyní, když tým prokázal úspěšnost metody, plánuje vylepšit nastavení, aby zlepšil výkon a zvýšil zrychlení na vyšší energie.

“Právě teď jsou elektrony generovány podél celé délky vlnovodu, 20 centimetrů dlouhého, což činí jejich distribuci energie méně než ideální,” říká Miao. “Můžeme zlepšit design, abychom mohli kontrolovat, kde jsou přesně vstřikovány, a pak můžeme lépe kontrolovat kvalitu urychleného elektronového paprsku.”

Zatímco sen o LCLS na stolní desce ještě není realitou, autoři říkají, že tato práce ukazuje cestu vpřed. “Do té doby je třeba udělat spoustu inženýrství a vědy,” říká Shrock. “Tradiční urychlovače produkují vysoce opakovatelné paprsky se všemi elektrony, které mají podobnou energii a pohybují se stejným směrem. Stále se učíme, jak zlepšit tyto vlastnosti paprsku v multi-GeV laserových urychlovačích wakefieldu. Je také pravděpodobné, že dosáhnout energií v měřítku desítek GeV, budeme muset zinscenovat několik urychlovačů wakefield, které budou předávat urychlené elektrony z jednoho stupně do druhého a zároveň zachovat kvalitu paprsku. Je tedy dlouhá cesta mezi dneškem a vytvořením zařízení typu LCLS spoléhajícího na laser zrychlení wakefieldu.”


Plazmové vlnovody v metrovém měřítku tlačí obal urychlovače částic


Více informací:
B. Miao et al, Multi-GeV elektronové svazky z plně optického laserového urychlovače Wakefield, Fyzický přehled X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031038

Citace: Kompaktní urychlovač elektronů dosahuje nové rychlosti pouze se světlem (2022, 19. září) staženo 19. září 2022 z https://phys.org/news/2022-09-compact-electron.html

Tento dokument podléhá autorským právům. Kromě jakéhokoli poctivého jednání za účelem soukromého studia nebo výzkumu nesmí být žádná část reprodukována bez písemného souhlasu. Obsah je poskytován pouze pro informační účely.

podobné příspěvky

Leave a Reply