Kompakt elektron hızlandırıcı, ışıktan başka hiçbir şey olmadan yeni hızlara ulaşır

Kompakt elektron hızlandırıcı, ışıktan başka hiçbir şey olmadan yeni hızlara ulaşır

Bir lazer darbesinin (kırmızı) bir plazma dalgasını tahrik ettiği ve ardından elektronları hızlandırdığı bir simülasyondan bir görüntü. Parlak sarı nokta, en yüksek elektron konsantrasyonuna sahip alandır. Bir deneyde, bilim adamları bu tekniği elektronları sadece 20 santimetrelik bir aralıkta neredeyse ışık hızına hızlandırmak için kullandılar. Kredi bilgileri: Bo Miao/IREAP

Ultra hızlı lazerlerin hassas kontrolünden yararlanan bilim adamları, elektronları genellikle 10 futbol sahası büyüklüğündeki parçacık hızlandırıcılar için ayrılan hızlara 20 santimetrelik bir esneme üzerinde hızlandırdılar.

Maryland Üniversitesi’nde (UMD) Fizik ve Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Profesörü Howard Milchberg tarafından yönetilen bir ekip, Colorado Eyalet Üniversitesi’nden (CSU) Jorge J. Rocca’nın ekibiyle işbirliği içinde, bu başarıya iki lazer darbesi kullanarak ulaştı. bir hidrojen gazı jeti. İlk darbe hidrojeni parçaladı, içinden bir delik açtı ve bir plazma kanalı yarattı. Bu kanal, elektronları plazmadan toplayan ve ardından onları sürükleyen, süreçte neredeyse ışık hızına kadar hızlandıran ikinci, daha yüksek güçlü bir darbeye rehberlik etti.

Bu teknikle ekip, SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki hızlandırıcı olan kilometre uzunluğundaki Linac Tutarlı Işık Kaynağı (LCLS) gibi devasa tesislerde elde edilen enerjinin neredeyse %40’ına elektronları hızlandırdı. Makale dergiye kabul edildi Fiziksel İnceleme X 1 Ağustos 2022’de.

UMD Araştırma Elektroniği ve Uygulamalı Fizik Enstitüsü’ne de bağlı olan Milchberg, “Bu, tamamen lazerlerle çalışan ilk çoklu GeV elektron hızlandırıcıdır” diyor. “Lazerlerin daha ucuz ve daha verimli hale gelmesiyle, tekniğimizin bu alandaki araştırmacılar için gidilecek yol olmasını bekliyoruz.”

Yeni çalışmayı motive eden şey, elektronları 13,6 milyar elektron volta (GeV) hızlandıran bir kilometre uzunluğundaki bir pist olan LCLS gibi hızlandırıcılardır – ışık hızının %99,999999993’ünde hareket eden bir elektronun enerjisi. LCLS’nin selefi, temel parçacıklar hakkında Nobel ödüllü üç keşfin arkasındadır. Şimdi, orijinal hızlandırıcının üçte biri, dünyadaki en güçlü X-ışını lazer ışınlarını üretmek için süper hızlı elektronlarını kullanarak LCLS’ye dönüştürüldü. Bilim adamları, bu X-ışınlarını, hareket halindeki atomların ve moleküllerin içini incelemek ve kimyasal reaksiyonların videoları oluşturmak için kullanırlar. Bu videolar, ilaç keşfi, optimize edilmiş enerji depolama, elektronikte yenilik ve çok daha fazlası için hayati araçlardır.

Elektronları onlarca GeV’lik enerjilere hızlandırmak kolay bir iş değil. SLAC’ın lineer hızlandırıcısı, çok uzun bir dizi parçalı metal tüpte yayılan güçlü elektrik alanlarını kullanarak elektronlara ihtiyaç duydukları itmeyi sağlar. Elektrik alanları daha güçlü olsaydı, tüplerin içinde bir şimşek fırtınası çıkarır ve onlara ciddi şekilde zarar verirdi. Elektronları daha fazla itemeyen araştırmacılar, parçacıkların hızlanması için daha fazla pist sağlayarak onları daha uzun süre itmeyi seçtiler. Kuzey Kaliforniya boyunca bir kilometrelik dilim bu yüzdendir. Bu teknolojiyi daha yönetilebilir bir ölçeğe getirmek için UMD ve CSU ekipleri, ışığın kendisini (uygun bir şekilde) kullanarak elektronları neredeyse ışık hızına çıkarmak için çalıştı.

UMD’de fizik alanında yüksek lisans öğrencisi ve çalışmanın ilk yazarlarından Jaron Shrock, “Sonuçta amaç, GeV ölçekli elektron hızlandırıcılarını mütevazı bir odaya küçültmek” diyor. “Kilometre ölçeğinde cihazlar alıyorsunuz ve 1000 daha güçlü hızlanma alanı faktörünüz var. Yani, kilometre ölçeğinden metre ölçeğine alıyorsunuz, bu teknolojinin amacı bu.”

Bir laboratuvarda bu daha güçlü hızlanan alanların yaratılması, lazer uyanıklığı hızlandırma adı verilen ve sıkı bir şekilde odaklanmış ve yoğun lazer ışığı darbesinin bir plazmadan gönderildiği, bir rahatsızlık yaratarak ve ardından elektronları çektiği bir süreç kullanır.

Maryland Üniversitesi’nde fizik alanında doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın ilk yazarlarından biri olan Bo Miao, “Lazer darbesini bir tekne gibi hayal edebilirsiniz” diyor. “Lazer darbesi plazmada yol alırken, çok yoğun olduğu için, bir teknenin pruvasıyla kenara itilen su gibi elektronları yolundan dışarı iter. Bu elektronlar teknenin etrafında döner ve hemen arkasında toplanır, hareket eder. nabzın uyanışı.”

Lazer uyandırma alanı ivmesi ilk olarak 1979’da önerildi ve 1995’te gösterildi. Ancak elektronları hızlandırabileceği mesafe inatla birkaç santimetre ile sınırlı kaldı. UMD ve CSU ekibinin uyanma alanı hızlandırmayı her zamankinden daha etkili bir şekilde kullanmasını sağlayan şey, UMD ekibinin yüksek enerji ışını evcilleştirmek ve enerjisini çok ince yaymasını engellemek için öncülük ettiği bir teknikti. Teknikleri, plazmada bir delik açarak, ışının enerjisinin odaklanmasını sağlayan bir dalga kılavuzu oluşturur.

Shrock, “Bir dalga kılavuzu, bir darbenin çok daha uzun bir mesafe boyunca yayılmasına izin verir” diye açıklıyor. “Plazma kullanmamız gerekiyor çünkü bu darbeler çok yüksek enerjili, çok parlak, geleneksel bir fiber optik kabloyu yok edebilirler. Plazma yok edilemez çünkü bir anlamda zaten öyle.”

Teknikleri, fiber optik kablolara benzer bir şey yaratır – fiber optik internet hizmetini ve diğer telekomünikasyon sinyallerini taşıyan şeyler – hiç yoktan. Ya da daha doğrusu, dikkatlice şekillendirilmiş hidrojen gazı jetlerinden.

Geleneksel bir fiber optik dalga kılavuzu iki bileşenden oluşur: ışığı yönlendiren merkezi bir “çekirdek” ve ışığın dışarı sızmasını önleyen çevreleyen bir “kaplama”. Ekip, plazma dalga kılavuzlarını yapmak için ek bir lazer ışını ve bir hidrojen gazı jeti kullanıyor. Bu ek “yönlendirici” lazer jet boyunca ilerlerken, elektronları hidrojen atomlarından koparır ve bir plazma kanalı oluşturur. Plazma sıcaktır ve hızla genişlemeye başlar, daha düşük yoğunluklu bir plazma “çekirdeği” ve saçağında silindirik bir kabuk gibi daha yüksek yoğunluklu bir gaz oluşturur. Daha sonra ana lazer ışını (kendisinde elektron toplayacak olan) bu kanaldan gönderilir. Bu darbenin en ön kenarı, daha yüksek yoğunluklu kabuğu da plazmaya çevirerek “kaplama” yaratır.

Shrock, “İlk darbenin bir alanı temizlemesi gibi bir şey” diyor ve “sonra yüksek yoğunluklu darbe, önde duran birinin giderken rayları fırlattığı bir tren gibi aşağı iniyor.”

UMD’nin optik olarak oluşturulmuş plazma dalga kılavuzu tekniğini, CSU ekibinin yüksek güçlü lazeri ve uzmanlığıyla bir araya getiren araştırmacılar, elektronlarından bazılarını şaşırtıcı bir 5 GeV’a hızlandırmayı başardılar. Bu, SLAC’ın devasa hızlandırıcısından hala 3 daha az bir faktördür ve lazer uyandırma alanı hızlandırma ile elde edilen maksimum değer değildir (bu onur Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarlarında bir ekibe aittir). Bununla birlikte, yeni çalışmada GeV hızlanma başına kullanılan lazer enerjisi bir rekordur ve ekip, tekniklerinin daha çok yönlü olduğunu söylüyor: Potansiyel olarak saniyede binlerce kez elektron patlamaları üretebilir (yaklaşık olarak saniyede bir kez değil). yüksek enerji fiziğinden, LCLS’deki gibi hareket halindeki moleküllerin ve atomların videolarını çekebilen X-ışınlarının üretilmesine kadar birçok uygulama için umut verici bir tekniktir. Ekip, yöntemin başarısını kanıtladığına göre, performansı iyileştirmek ve daha yüksek enerjilere ivmeyi artırmak için kurulumu iyileştirmeyi planlıyorlar.

Miao, “Şu anda elektronlar, 20 santimetre uzunluğundaki dalga kılavuzunun tüm uzunluğu boyunca üretiliyor ve bu da enerji dağıtımlarını idealden daha az yapıyor” diyor. “Tasarımı geliştirip nereye enjekte edildiklerini kontrol edebiliyoruz ve ardından hızlandırılmış elektron ışınının kalitesini daha iyi kontrol edebiliyoruz.”

Bir masa üstünde LCLS hayali henüz gerçek değilken, yazarlar bu çalışmanın ileriye dönük bir yol gösterdiğini söylüyor. Shrock, “Şimdi ve o zaman arasında yapılacak çok fazla mühendislik ve bilim var” diyor. “Geleneksel hızlandırıcılar, tüm elektronların benzer enerjilere sahip olduğu ve aynı yönde hareket ettiği yüksek oranda tekrarlanabilir ışınlar üretir. Hala çoklu GeV lazer uyanıklık alanı hızlandırıcılarında bu ışın niteliklerini nasıl geliştireceğimizi öğreniyoruz. Onlarca GeV, ışın kalitesini korurken hızlandırılmış elektronları bir aşamadan diğerine geçirerek birden fazla uyanıklık alanı hızlandırıcısı hazırlamamız gerekecek. Dolayısıyla, şimdi ile lazer uyandırma alanı hızlandırmasına dayanan LCLS tipi bir tesise sahip olmak arasında uzun bir yol var.”


Metre ölçekli plazma dalga kılavuzları, parçacık hızlandırıcı zarfını zorlar


Daha fazla bilgi:
B. Miao ve diğerleri, Tamamen Optik Lazer Wakefield Hızlandırıcısından Çok GeV Elektron Demetleri, Fiziksel İnceleme X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031038

Maryland Üniversitesi tarafından sağlanan

Alıntı: Kompakt elektron hızlandırıcı, ışıktan başka bir şey olmadan yeni hızlara ulaşıyor (2022, 19 Eylül) 22 Eylül 2022’de https://phys.org/news/2022-09-compact-electron.html adresinden alındı.

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amaçlı herhangi bir adil işlem dışında, yazılı izin alınmadan hiçbir bölüm çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgi amaçlı sağlanmıştır.