Новый тип ускорителя частиц: электроны на двойной волне

Поскольку они намного компактнее современных ускорителей, длина которых может достигать километров, плазменные ускорители считаются многообещающей технологией на будущее. Международная исследовательская группа достигла значительного прогресса в дальнейшем развитии этого подхода: с двумя дополнительными экспериментами в Центре Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) и в Университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене (LMU) команда смогла: впервые объединить две разные плазменные технологии и создать новый гибридный ускоритель. Эта концепция может продвинуть вперед разработку ускорителей и в долгосрочной перспективе стать основой блестящих источников рентгеновского излучения для исследований и медицины, как описывают эксперты в журнале. Nature Communications.


В обычных ускорителях частиц сильные радиоволны направляются в металлические трубки особой формы, называемые резонаторами. Ускоряемые частицы – часто электроны – могут перемещаться на этих радиоволнах, как серфингисты на волнах океана. Но потенциал этой технологии ограничен: подача слишком большой мощности радиоволн в резонаторы создает риск электрических зарядов, которые могут повредить компонент. Это означает, что для того, чтобы привести частицы к высоким уровням энергии, многие резонаторы должны быть соединены последовательно, что делает современные ускорители во многих случаях длиной в километры.

Поэтому специалисты с энтузиазмом работают над альтернативой: ускорение плазмы. В принципе, короткие и чрезвычайно мощные лазерные вспышки стреляют в плазму – ионизированное состояние вещества, состоящего из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ядер атомов. В этой плазме лазерный импульс генерирует сильное переменное электрическое поле, похожее на след корабля, которое может чрезвычайно ускорить электроны на очень короткое расстояние. Теоретически это означает, что объекты можно построить гораздо более компактными, сократив ускоритель, длина которого сегодня составляет сотню метров, до нескольких метров. «Эта миниатюризация делает эту концепцию настолько привлекательной», – объясняет Ари Ирман, исследователь из Института радиационной физики HZDR. «И мы надеемся, что это позволит даже небольшим университетским лабораториям позволить себе мощный ускоритель в будущем».

Но есть еще один вариант ускорения плазмы, при котором плазма приводится в движение сгустками электронов, близких к скорости света, а не мощными лазерными вспышками. Этот метод предлагает два преимущества по сравнению с лазерным ускорением плазмы: «В принципе, должно быть возможно достичь более высоких энергий частиц, а ускоренными электронными пучками должно быть легче управлять», – объясняет HZDR и основной автор Томас Курц. «Недостатком является то, что в настоящее время мы полагаемся на большие обычные ускорители для создания сгустков электронов, необходимых для возбуждения плазмы». Например, FLASH в DESY в Гамбурге, где проводятся подобные эксперименты, измеряет добрую сотню метров.

Комбинация высоких энергий

Именно здесь появляется новый проект. «Мы спросили себя, можем ли мы создать гораздо более компактный ускоритель для возбуждения плазменной волны», – говорит Томас Хайнеманн из Университета Стратклайда в Шотландии, который также является основным автором исследования. . «Наша идея заключалась в том, чтобы заменить эту обычную установку плазменным ускорителем с лазерным приводом». Чтобы проверить эту концепцию, команда разработала сложную экспериментальную установку, в которой сильные световые вспышки от лазерной установки DRACO HZDR попадают в струю газа гелия и азота, генерируя связанный пучок быстрых электронов через плазменную волну. Этот электронный луч проходит через металлическую фольгу в следующий сегмент, при этом фольга отражает обратно лазерные вспышки.

В следующем сегменте входящий электронный пучок встречает другой газ, на этот раз смесь водорода и гелия, в которой он может генерировать новую, вторую плазменную волну, переводя другие электроны в турбо-режим на протяжении всего нескольких миллиметров – out стреляет пучком частиц высокой энергии. «В процессе мы предварительно ионизируем плазму с помощью дополнительного более слабого лазерного импульса», – объясняет Хайнеманн. «Это делает ускорение плазмы с помощью задающего луча намного более эффективным».

Турбовоспламенение: почти со скоростью света в пределах одного миллиметра

Результат: «Размер нашего гибридного ускорителя меньше сантиметра», – объясняет Курц. «Секция ускорителя, управляемая пучком, использует всего один миллиметр, чтобы довести электроны до скорости, близкой к скорости света». Реалистичное моделирование процесса показывает замечательный градиент ускоряющего напряжения в процессе, соответствующий увеличению более чем в тысячу раз по сравнению с обычным ускорителем. Чтобы подчеркнуть важность своих открытий, исследователи применили эту концепцию в аналогичной форме в лазере ATLAS в LMU в Мюнхене. Однако перед тем, как эту новую технологию можно будет использовать в приложениях, экспертам еще предстоит преодолеть множество проблем.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments