A plazma gyorsítók legyőzték az 1 GeV küszöböt • Alexey Levin • Tudományos hírek a "Elemek" -ről • Fizika

A plazma gyorsítók leküzdik az 1 GeV küszöbértéket

Kiváló minőségű, 1 GeV energiájú elektronklusterek, amelyeket a LOASIS csoport legutóbbi kísérleteiből nyertek (a www.lbl.gov weboldalról készült kép)

A Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium (Lawrence Berkeley National Laboratory) fizikusai az Oxfordi Egyetem angol kollégáival együttműködve jelentősen növelték az elektronok lézersugaras gyorsulásának hatékonyságát. Ezek a tanulmányok nagy teljesítményű és ugyanakkor kompakt nagy energiájú elektronikus gyorsítók új generációjának létrehozását eredményezik, amelyek felgyorsítják ezeket a részecskéket nem nagy vákuumban, hanem plazmában. A kísérlet eredményeit az októberi kiadásban teszik közzé. Természetfizika.

Mint ismeretes, a nagy teljesítményű elektrongyorsítók több mint szilárd méretekben különböznek egymástól. Például a Stanford Lineáris Gyorsító Központ (SLAC, Stanford Linear Acceleration Center) lineáris ütközője (SLC, SLAC Linear Collider), amely az elektroenergetikát 50 GeV-re (GV, 109 elektronvolt), 3200 méter hosszú. És ez nem véletlen. A rádiófrekvenciás vákuum-gyorsítók méretei a gyorsító elektromos mező intenzitási határértékétől függnek, amely a meghibásodás miatt nem haladja meg a 100 millió V / m-t (az SLC működési mutatója jóval kevesebb – 20 millió V / m).

Ezért néhány évtizede a tudósok megvitatták az elektron gyorsulás lehetőségét, nem üres térben, hanem plazmában. Ebben az esetben az elektronok növelik a sebességet, a "gerincén" mozgatják a plazma töltések sűrűségének gyors terjedését, az ún. nyomán hullámok (Eng. Wakefield). Az ébresztő hullámok plazma-gyorsulása elvben lehetővé teszi az elektromos tér három-négy nagyságrenddel történő növekedését, ugyanakkor nem okozza a leállást.

A kapilláris hullámvezetőt hidrogénnel töltjük meg. A hullámvezető végein lévő elektródák közötti elektromos kisülés felmelegíti a gázt, plazmává változtatja. A lézer felgyorsítja az elektronsugarat, amelyet elektromágnesek vezérelnek és egy foszfor-szitán megfigyelnek

A plazmában fellépő hullámhullámok lézersugarakkal izgatottak. Az ilyen impulzusok szó szerint az elektronokat elhagyják az útjukból, és ezáltal sűrűségük zavart okoznak. Ennek eredményeként a lézerimpulzus úgy tűnik, hogy egy töltéssűrű hullámot húz, ezért hívják az ébresztést. Mivel ez a hullám elmozdulása után propagál, a fázis sebessége megegyezik a pulzus csoport sebességével.Ha a plazma eléggé ritka, az impulzus sebessége nagyon kis mértékben különbözik a fénysebességtől. Az ébresztő hullám-fázis sebessége eléri az azonos értékeket, ami lehetővé teszi számunkra, hogy felgyorsítsuk az elektronokat a relativisztikus és akár ultrarelativista energiákra.

Az elektronok lézeres gyorsulásának lehetőségeit az ébresztõ plazma hullámokban számos laboratóriumban tanulmányozzák szerte a világon. Ezekben a kísérletekben a felgyorsult elektronsok fürtjeit befecskendezik a plazmába (az elektronokat előzetesen fel lehet gyorsítani egy hagyományos rádiófrekvenciás gyorsítóban), amely egyszerre "lézerimpulzusokkal" feldolgozható. Ezt a technológiát általában az angol LWFA rövidítéssel (Laser Wakefield Acceleration – lézeres ébresztő mezővel rendelkező gyorsítók) jelölik.

Az eddig elért eredmények eredményei az alábbiak szerint értékelhetők: nos, de sokkal jobb lenne. A plazmában már lehetséges volt dinamikus mezők létrehozása, rekord nagy intenzitással, 100 milliárd V / m-rel, de ezek nem nagyon stabilak. Talán a fő nehézség az, hogy az ultrarelativisztikus elektronenergiák elérése érdekében egy lézerimpulzus nagy intenzitását kell fenntartani a plazma nagy útjának hosszúságán, például egy mérőórán.A probléma megoldásának egyik legjobb módja olyan plazmacsatornák létrehozása, amelyeken keresztül a lézerimpulzusok propagálhatnak, mint a hullámvezetők esetében. Az ilyen csatornák megszerzéséhez különböző módokon lehet most intenzíven tanulmányozni.

LOASIS csoport. A jobb oldalon az előtérben Wim Limans (Wim a köntösben). Fotók www.lbl.gov

A Wim Lymans (Wim Leemans) vezette Berkeley kutatók hívják a LOASIS csoportjukat (Laser Optics and Accelerator Systems Integrated Studies). A LOASIS már több éve kidolgoz egy módszert a hidrogénplazmában lévő csatornákon belüli elektronok felgyorsítására, amelyeket korábban egy fókuszált lézersugárral hoztak létre. Az első sugár áthalad a ritka hidrogénen, és "fúrja" a jövő csatorna rúdját. Ezután egy második sugár irányul, amely emellett felmelegíti a plazmát és végül csatot alkot. Ezután áthalad a vezető lézerimpulzus, ami létrehozza az ébresztő hullámot. Ily módon jelentős elektrongyorsulás érhető el, anélkül, hogy igénybe kellene venni a különösen erős lézereket, ami természetesen leegyszerűsíti a feladatot.

2004 őszén a Limans csoport beszámolt a plazma hullámvezető elektronainak gyorsulásáról 200 MeV (megaelectronvolt, 106 elektronvolt) lézerimpulzusokat használva, amelyek csúcsteljesítménye mindössze 9 TW (terawatt, 1012 watt). Ez volt egy csodálatos demonstráció a módszer ígéretének, mivel más csoportok hasonló eredményeket értek el 30 terawattos lézerrel.

A vezető lézersugár áthalad a plazmán a zafírkapilláris hullámvezetőn belül (fénykép www.lbl.gov)

Az ügy segített a további fejlődésben. Leaman találkozott Oxford fizikus Simon Hookerrel, aki már régóta részt vesz a plazma szennyvízproblémákban. A Hooker csoport kifejlesztett egy eljárást a zafírblokkok gyártására, amelyeket nagyon vékony hajszálerek áztatnak. Lehetséges volt a hidrogén egy ilyen kapillárisba szivattyúzása és egy ionizált plazmának átalakítása egy elektromos kondenzátor kisülése révén. A kapilláris közepén a plazma sűrűsége nagyon kicsi volt, és a falai közelében nőtt. A vezető lézerimpulzusok a központi zóna rendkívül ritkított plazmáján haladnak keresztül, gyakorlatilag nincs sebességvesztés, ami az elektromos gyorsulás gyors kísérletezéséhez szükséges.Ezenkívül a zafírkapillárisok hozzájárultak ezen impulzusok stabilizálásához, ami az elektron gyorsulásának sávjának növekedéséhez vezetett.

A 2004-es kísérletekben a Limans csoport csak 2 milliméteres úton érte el az elektronok gyorsulását, míg a zafírkapillárisok belsejében az elektronok centiméteres távolságokon folyamatosan felgyorsultak.

Lemans és Hooker csoportok úgy döntöttek, hogy összefognak, és közös kísérleteket kezdtek, és most már 40 terawattos lézert használtak, hogy ébresztő hullámokat hozzanak létre. Ezzel 33 milliméteres hossztartalmú elektronokat szétszórták az elektromosan egy éven felüli GeV energiával. Nem kevésbé fontos az a tény, hogy sikerült szinte monokróm elektroncsomókat szedni, amelyeken belül a részecskekibocsátás nem haladta meg a 2,5% -ot. Ennek a kísérletnek az eredménye azt jelenti, hogy a nagy energiájú plazma elektrongyorsítók megjelenése reményei sokkal szilárdabbak.

Néha el kell olvasnod, hogy a lézersugaras gyorsulás technológiája idővel lehetővé fogja tenni, hogy az elektronokat ultrarelativista energiákra fordítsuk szinte az asztali telepítéseken.Ez valószínűleg soha nem történhet meg, de előfordulhat, hogy a gyorsítók sokkal erősebbek, mint az SLC, a rendes méretű épületekbe kerülnek. Egyetértünk abban, hogy ez nem rossz.

forrás:
1) Nulláról egy milliárd elektromos feszültségre 3,3 centiméteren (a legmagasabb energiák mégis a lézer Wakefield gyorsulásakor) // A Lawrence National Laboratory kiadványa Berkeleyben, 2006.09.25.
2) W. P. Leemans et al. GeV elektronsugarak egy centiméteres gyorsítóból (illusztrációk itt tekinthetők meg) // Természetfizika, doi: 10,1038 / nphys418. Előzetes online kiadvány 2006. szeptember 24.

Lásd még:
Chandrashekar Joshi. Plazma-gyorsítók // "A tudomány világában" No. 5, 2006.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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