Plasma acceleratorer overvandt 1 GeV tærsklen • Alexey Levin • Videnskabsnyheder om "Elements" • Fysik

Plasma acceleratorer overvinder 1 GeV tærsklen

Elektronikklynger af høj kvalitet med en energi på 1 GeV, opnået i de seneste forsøg i LOASIS-gruppen (billede fra webstedet www.lbl.gov)

Fysikere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Lawrence Berkeley National Laboratory) i samarbejde med engelske kolleger ved Oxford University har øget effektiviteten af ​​laser-plasmak acceleration af elektroner. Disse undersøgelser bringer oprettelsen af ​​en ny generation kraftfulde og samtidig kompakte højenergiske elektroniske acceleratorer, hvilket fremskynder disse partikler ikke i et højt vakuum, men i et plasma. Resultaterne af eksperimentet vil blive offentliggjort i oktober-udgaven. Naturfysik.

Som det er velkendt, varierer kraftige elektronacceleratorer i mere end faste dimensioner. For eksempel er den lineære collider (SLC, SLAC Linear Collider) i Stanford Linear Accelerator Center (SLAC, Stanford Linear Acceleration Center), som bringer elektronenergien til 50 GeV (GV, 109 elektron volt), har en længde på 3200 meter. Og det er ikke tilfældigt. Dimensionerne af radiofrekvensvakuumacceleratorer afhænger af intensitetsgrænsen for det accelererende elektriske felt, som ikke overstiger 100 millioner V / m (volt pr. Meter) på grund af muligheden for sammenbrud (SLC-driftsindikatoren er meget mindre – 20 millioner V / m).

Af denne grund har forskere i et par årtier diskuteret muligheden for elektronacceleration ikke i tomt rum, men i et plasma. I dette tilfælde øger elektronerne hastigheden og bevæger sig "på ryggen" af hurtigt forplantende forstyrrelser af plasmafladningsdensiteten, den såkaldte wake bølger (Eng. Wakefield). Plasma acceleration i kølvandet bølger tillader i princippet en stigning i det elektriske felt med tre til fire størrelsesordener og skaber samtidig ikke risiko for sammenbrud.

Den kapillære bølgeleder er fyldt med hydrogen. En elektrisk udladning mellem elektroderne i enderne af bølgelederen hærder gassen og omdanner den til et plasma. Laseren accelererer elektronstrålen, som styres af elektromagneter og overvåges ved hjælp af en fosforskærm

Vågbølger i plasma spændes af laserimpulser. Sådanne impulser skubber bogstaveligt talt elektroner ud af deres vej og derved forårsager forstyrrelser af deres tæthed. Som en følge heraf synes en laserpuls at trække en ladningsdensitetsbølge, hvorfor det kaldes et vågne. Da denne bølge forplantes efter en puls uden lag, falder dens fasehastighed sammen med gruppens hastighed for selve pulsen.Hvis plasmaet er tilstrækkeligt sjældent, er pulshastigheden meget lidt forskellig fra lysets hastighed. Fasehastigheden af ​​vækkebølgen når de samme værdier, som gør det muligt for os at accelerere elektroner til relativistiske og endda ultrarelativistiske energier.

Muligheden for laser acceleration af elektroner i vågen plasma bølger studeres i mange laboratorier rundt om i verden. I disse eksperimenter injiceres bunker af accelererede elektroner i plasmaet (elektronerne selv kan præaccelereres i en konventionel radiofrekvens accelerator), som samtidig "forarbejdes" af laserimpulser. Denne teknologi betegnes som regel ved den engelske forkortelse LWFA (Laser Wakefield Acceleration – acceleratorer med et laserwake felt).

Resultaterne af disse undersøgelser opnået hidtil kan vurderes som følger: Nå, men det ville være meget bedre. I plasmaet var det allerede muligt at skabe dynamiske felter med en rekordhøj intensitet på omkring 100 mia. M / m, men de er ikke meget stabile. Måske er det største problem at for at opnå ultrarelativistiske elektronenergier er det nødvendigt at opretholde en høj intensitet af en laserpuls over en stor længde af sin bane i et plasma, f.eks. På en meters rækkefølge.En af de bedste måder at løse dette problem på er at skabe plasmakanaler, hvorigennem laserpulser kan formere sig, som i waveguides. For at opnå sådanne kanaler er der forskellige måder, der nu studeres intensivt.

LOASIS Group. Til højre i forgrunden er Wim Limans (med Wim på kappen). Billeder fra www.lbl.gov

Berkeley forskere ledet af Wim Lymans (Wim Leemans) kalder deres gruppe LOASIS (Laser Optics og Accelerator Systems Integrated Studies). I flere år har LOASIS udviklet en metode til acceleration af elektroner inde i kanaler i et hydrogenplasma, som tidligere er skabt ved hjælp af et par fokuserede laserstråler. Den første stråle passerer gennem det sjældne hydrogen og "øvelser" stangen i den fremtidige kanal. Derefter styres en anden stråle der, som yderligere opvarmer plasmaet og til sidst danner en kanal. Derefter føres den førende laserpuls gennem den, hvilket skaber vækkebølgen. På denne måde er det muligt at opnå signifikant elektron acceleration uden at ty til anvendelsen af ​​særligt kraftfulde lasere, hvilket selvfølgelig forenkler opgaven.

I efteråret 2004 rapporterede Limans-gruppen om accelerationen af ​​elektroner i en plasma-bølgeleder til en energi på 200 MeV (megaelectronvolt, 106 elektron volt) ved hjælp af laserimpulser med en maksimal effekt på kun 9 TW (terawatts, 1012 watt). Det var en vidunderlig demonstration af løftet om deres metode, da andre grupper opnåede lignende resultater med 30 terawatt-lasere.

Den førende laserstråle passerer gennem plasmaet inde i safirkapillarbølgelederen (foto fra www.lbl.gov)

Sagen har hjulpet yderligere fremskridt. Leaman mødte Oxford fysiker Simon Hooker, der længe havde været involveret i spildevandsproblemer i plasma. Hookers gruppe har udviklet en metode til fremstilling af safirblokke, gennemtrængt med meget tynde kapillarer. Det var muligt at pumpe hydrogen i en sådan kapillær og omdanne den til et ioniseret plasma ved hjælp af udladningen af ​​en elektrisk kondensator. Plasmatætheden i midten af ​​kapillæren var meget lille og øget nær dets vægge. Driverens laserimpulser kunne passere gennem et meget sjældent plasma i den centrale zone med næsten ingen hastighedstab, hvilket var nødvendigt for forsøg på vekselektronacceleration.Derudover bidrog safirkapillarier til stabiliseringen af ​​disse impulser, hvilket førte til en stigning i længden af ​​sporet, på hvilket accelerationen af ​​elektroner fandt sted.

I eksperimenterne fra 2004 opnåede gruppen af ​​Limans accelerationen af ​​elektroner på en vej på kun 2 millimeter lang, mens elektronikerne inde i safirkapillarerne blev accelereret stadigt på centimeterafstande.

Grupperne af Lemans og Hooker besluttede at gå sammen og begyndte med fælles eksperimenter, og nu brugte de allerede en 40-terawatt laser til at generere vævsbølger. Med det spredte de elektroner i kapillærer med en længde på 33 millimeter til en energi på lidt over 1 GeV. Ikke mindre vigtigt er, at de formåede at opnå næsten monokromatiske elektronbunker, inden for hvilke partikelspredningen i energi ikke oversteg 2,5%. Resultaterne af dette forsøg betyder, at forhåbninger på udseendet af høj-energi plasmakraftacceleratorer har fået meget mere solid jord.

Nogle gange skal du læse, at teknologien for laserplasma-acceleration med tiden giver dig mulighed for at accelerere elektroner til ultrarelativistiske energier næsten på desktopinstallationer.Dette vil sandsynligvis aldrig ske, men det er muligt, at acceleratorerne er meget stærkere end SLC, vil blive placeret i bygninger af ganske almindelig størrelse. Vi er enige om, at dette ikke er dårligt.

kilder:
1) Fra Nul til Billioner Elektron Volt i 3,3 Centimeter (Højeste Energier Endnu Fra Laser Wakefield Acceleration) // Pressemeddelelse fra Lawrence National Laboratory i Berkeley, 25.09.2006.
2) W. P. Leemans et al. GeV elektronstråler fra en centimeter-skala accelerator (illustrationer kan ses her) // Naturfysik, doi: 10,1038 / nphys418. Advance online publikation 24. september 2006.

Se også:
Chandrashekar Joshi. Plasma acceleratorer // "I verden af ​​videnskab" nr. 5, 2006.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: