Plazmové urýchľovače prekonali prahovú hodnotu 1 GeV • Alexey Levin • Science News o "prvkoch" • Fyzika

Plazmové urýchľovače prekonávajú prahovú hodnotu 1 GeV

Vysokokvalitné zhluky elektrónov s energiou 1 GeV, získané v nedávnych experimentoch skupiny LOASIS (obrázok z lokality www.lbl.gov)

Fyzici z Národného laboratória Lawrence Berkeley (Národné laboratórium Lawrence Berkeley) v spolupráci s anglickými kolegami na Oxfordskej univerzite výrazne zvýšili účinnosť laserového plazmového akcelerácie elektrónov. Tieto štúdie prinášajú vytvorenie novej generácie silných a zároveň kompaktných vysokoenergetických elektronických urýchľovačov, ktoré urýchľujú tieto častice nie vo vysokom vákuu, ale v plazme. Výsledky experimentu budú uverejnené v októbrovom čísle. Prírodná fyzika.

Ako je dobre známe, silné urýchľovače elektrónov sa líšia vo viac ako pevných rozmeroch. Napríklad lineárny zrážač (SLC, Linear Collider SLAC) Stanford Linear Accelerator Center (SLAC, Stanford Linear Acceleration Center), ktorý prináša elektrónovú energiu na 50 GeV (GV, 109 elektrónový volt) má dĺžku 3200 metrov. A to nie je náhoda. Rozmery rádiofrekvenčných vákuových urýchľovačov závisia od intenzity zrýchlenia elektrického poľa, ktoré nepresahuje 100 miliónov V / m (voltov na meter) vzhľadom na možnosť poruchy (prevádzkový indikátor SLC je oveľa menší – 20 miliónov V / m).

Z tohto dôvodu už niekoľko desaťročí vedci diskutovali o možnosti elektrónovej akcelerácie nie v prázdnom priestore, ale v plazme. V tomto prípade elektróny zvyšujú rýchlosť, pohybujú "na hrebeň" rýchlo šíriace sa poruchy hustoty plazmových nábojov, tzv. wake waves (Angl. Wakefield). Akcelerácia plazmy v prebúdzajúcich vlnách v zásade umožňuje zvýšenie elektrického poľa o tri až štyri rády a súčasne nepredstavuje nebezpečenstvo poruchy.

Kapilárny vlnovod je naplnený vodíkom. Elektrický výboj medzi elektródami na koncoch vlnovodu ohrieva plyn a mení ho do plazmy. Laser urýchľuje elektrónový lúč, ktorý je vedený elektromagnetmi a monitorovaný pomocou fosforovej obrazovky

Vlnové vlny v plazme sú vzrušené laserovými impulzmi. Takéto impulzy doslova vytláčajú elektróny z cesty a spôsobujú tak poruchy ich hustoty. Ako výsledok sa zdá, že laserový impulz preťahuje vlnu s hustotou náboja, a preto sa nazýva budenie. Keďže táto vlna sa šíri po impulse bez oneskorenia, jej fázová rýchlosť sa zhoduje so skupinou rýchlosti samotného impulzu.Ak je plazma dostatočne zriedkavá, rýchlosť impulzu sa veľmi líši od rýchlosti svetla. Rýchlosť fázy budiacej vlny dosahuje rovnaké hodnoty, čo nám umožňuje zrýchliť elektróny na relativistické a dokonca aj ultrarelativistické energie.

Možnosti laserovej akcelerácie elektrónov v prebudení plazmových vĺn sa skúmajú v mnohých laboratóriách po celom svete. V týchto experimentoch sa do plazmy vstrekujú zväzky zrýchlených elektrónov (samotné elektróny môžu byť predbežne zrýchlené v bežnom urýchľovači rádiového kmitočtu), ktorý je súčasne "spracovaný" laserovými impulzmi. Táto technológia je zvyčajne označovaná anglickou skratkou LWFA (Laser Wakefield Acceleration – akcelerátory s poľom pre laserové prebudenie).

Výsledky týchto štúdií, ktoré sa doteraz dosiahli, možno posúdiť takto: dobre, ale bolo by oveľa lepšie. V plazme bolo už možné vytvoriť dynamické polia s rekordnou vysokou intenzitou okolo 100 miliárd V / m, avšak nie sú veľmi stabilné. Snáď hlavnou obtiažnosťou je, že na dosiahnutie ultrarelativistických elektrónových energií je potrebné udržiavať vysokú intenzitu laserového impulzu na veľkej dĺžke jeho dráhy v plazme, povedzme v poriadku jedného metra.Jedným z najlepších spôsobov riešenia tohto problému je vytvorenie plazmových kanálov, pomocou ktorých by sa mohli šíriť laserové impulzy, ako v vlnovodoch. Na získanie takýchto kanálov existujú rôzne spôsoby, ktoré sa intenzívne intenzívne študujú.

Skupina LOASIS. Vpravo v popredí je Wim Limans (s Wim na plášť). Fotografie z www.lbl.gov

Výskumníci v Berkeley, ktorých vedie Wim Lymans (Wim Leemans), volajú svoju skupinu LOASIS (Integrované štúdie laserovej optiky a akcelerátorov). Už niekoľko rokov LOASIS vyvíja metódu na urýchlenie elektrónov vo vnútri kanálov vo vodíkovej plazme, ktoré boli predtým vytvorené pomocou dvojice zaostrených laserových lúčov. Prvý lúč prechádza zriedeným vodíkom a "vŕta" tyč budúceho kanála. Potom je nasmerovaný druhý lúč, ktorý navyše zahrieva plazmu a nakoniec tvorí kanál. Potom prechádza vedúci laserový impulz, ktorý vytvára vlnu prebudenia. Týmto spôsobom je možné dosiahnuť významné zrýchlenie elektrónov bez použitia mimoriadne silných laserov, čo samozrejme zjednodušuje úlohu.

Na jeseň roku 2004 skupina Limans informovala o zrýchlení elektrónov v plazmovom vlnovodu na energiu 200 MeV (megaelectronvolt, 106 elektrónový volt) pomocou laserových impulzov s maximálnym výkonom len 9 TW (terawatts, 1012 W). Bolo to úžasná demonštrácia sľubu ich metódy, pretože iné skupiny dosiahli podobné výsledky s 30 terawattovými lasery.

Vedúci laserový lúč prechádza plazmou vo vnútri zafírového kapilárneho vlnovodu (foto z www.lbl.gov)

Prípad pomohol ďalšiemu pokroku. Leaman sa stretol s Oxfordským fyzikom Simonom Hookerom, ktorý sa dlho podieľal na plazmových problémoch so splaškami. Hookerova skupina vyvinula metódu na výrobu zafírových blokov, preniknutých veľmi tenkými kapilárami. Bolo možné pumpiť vodík do takej kapiláry a previesť ju do ionizovanej plazmy pomocou vypúšťania elektrického kondenzátora. Hustota plazmy v strede kapiláry bola veľmi malá a zvýšila sa blízko jej steny. Rušivé laserové impulzy mohli prechádzať vysoko zriedenou plazmou centrálnej zóny s prakticky žiadnou stratou rýchlosti, čo bolo potrebné pri pokusoch o akcelerácii budiacej elektróny.Okrem toho safírové kapiláry prispeli k stabilizácii týchto impulzov, čo viedlo k zvýšeniu dĺžky dráhy, na ktorej došlo k zrýchleniu elektrónov.

V experimentoch roku 2004 skupina Limans dosiahla zrýchlenie elektrónov na dráhe dlhej len 2 milimetre, zatiaľ čo vo vnútri zafírových kapilár sa elektróny stále zvyšovali na vzdialenosti centimetrov.

Skupiny Lemans a Hooker sa rozhodli spojiť svoje sily a začali spoločné experimenty a teraz už používali 40-terawatový laser na generovanie prebudení. S ním rozptýlila elektróny v kapilárach s dĺžkou 33 milimetrov na energiu len trochu nad 1 GeV. Nemenej dôležitá je skutočnosť, že sa im podarilo získať takmer monochromatické bunky elektrónov, v rámci ktorých rozptyl častíc v energii nepresiahol 2,5%. Výsledky tohto experimentu znamenajú, že nádeje na výskyt vysokoenergetických urýchľovačov plazmového elektrónu získali omnoho pevnejšiu pôdu.

Niekedy musíte čítať, že technológia laserového plazmového akcelerácie s časom vám umožní urýchliť elektróny k ultrarelativistickým energiám takmer v inštaláciách na ploche.To sa pravdepodobne nikdy nestane, ale je možné, že urýchľovače sú oveľa výkonnejšie ako SLC, budú umiestnené v budovách celkom bežnej veľkosti. Súhlasíme, že to nie je zlé.

zdroj:
1) Od nuly do miliardy elektrónov vo výške 3,3 cm (najvyššia energia z akcelerácie laserovým Wakefieldom) // Tlačová správa Národného laboratória Lawrence v Berkeley, 25.09.2006.
2) W. P. Leemans a kol. GeV elektrónové lúče z urýchľovača s centimetrovým stupňom (obrázky si môžete pozrieť tu) // Prírodná fyzika, dva: 10.1038 / nphys418. Advance on-line publikácia 24. septembra 2006.

Pozri tiež:
Chandrashekar Joshi. Plazmové urýchľovače // "Vo svete vedy" č. 5, 2006.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Pridaj komentár

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