Plazemski pospeševalci so presegli prag 1 GeV • Aleksej Levin • Novice o "Elementih" • Fizika

Plazemski pospeševalci premagajo mejno vrednost 1 GeV

Visokokakovostni elektronski grozdi z energijo 1 GeV, pridobljeni v zadnjih poskusih skupine LOASIS (slika s spletne strani www.lbl.gov)

Fiziki iz nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley (National Laboratory Lawrence Berkeley) v sodelovanju z angleškimi kolegi na Oxfordovi univerzi so znatno povečali učinkovitost lasersko-plazemskega pospeševanja elektronov. Te študije prinašajo ustvarjanje nove generacije močnih in hkrati kompaktnih visokoenergetskih elektronskih pospeševalcev, ki pospešujejo te delce ne v visokem vakuumu, temveč v plazmi. Rezultati poskusa bodo objavljeni v oktobrski številki. Naravna fizika.

Kot je znano, se močni elektronski pospeševalniki razlikujejo v več kot trdnih dimenzijah. Na primer, linearni kolektor (SLC, SLAC Linear Collider) Stanforda Linear Accelerator Center (SLAC, Stanford Linear Acceleration Center), ki prinaša energijo elektronov na 50 GeV (GV, 109 elektron volt), ima dolžino 3200 metrov. In to ni slučajno. Dimenzije radiofrekvenčnih vakuumskih pospeševalcev so odvisne od meje intenzitete pospeševalnega električnega polja, ki ne presega 100 milijonov V / m (voltov na meter) zaradi možnosti razčlenitve (kazalnik obratovanja SLC je precej manj – 20 milijonov V / m).

Iz tega razloga znanstveniki že več desetletij razpravljajo o možnosti elektronskega pospeševanja ne v praznem prostoru, temveč v plazmi. V tem primeru elektroni povečajo hitrost, ki se gibljejo "na grebenu" hitro razmnoževalnih motenj gostote plazemskih stroškov, tako imenovane zbudi se (eng. Wakefield). Pospešek plazme v valovnih valovih načeloma omogoča povečanje električnega polja za tri do štiri reda velikosti in hkrati ne predstavlja nevarnosti razpada.

Kapilarni valovod je napolnjen z vodikom. Električni izpust med elektrodami na koncih valovoda segreva plin in ga pretvori v plazmo. Laser pospeši elektronski žarek, ki ga vodijo elektromagneti in se nadzoruje z uporabo fosfornega zaslona

Wake valove v plazmi vzbujajo laserski impulzi. Takšni impulzi dobesedno potisnejo elektrone iz svoje poti in tako povzročajo motnje njihove gostote. Kot rezultat, zdi se, da laserski impulz povleče val napolnjenosti gostote, zato se imenuje bujenje. Ker ta val propagira po impulzu brez laga, njegova fazna hitrost sovpada s skupinsko hitrostjo samega pulza.Če je plazma dovolj redčena, se hitrost impulza zelo razlikuje od hitrosti svetlobe. Hitrost faze valov doseže enake vrednosti, kar nam omogoča, da pospešimo elektrone do relativističnih in celo ultrarelativističnih energij.

Možnosti laserskega pospeševanja elektronov v valih plazemskih valovih se preučujejo v mnogih laboratorijih po vsem svetu. V teh eksperimentih se v plazmo vbrizgajo grozde pospešenih elektronov (elektroni se lahko vnaprej pospešijo v običajnem radijskem frekvenčnem pospeševalniku), ki jih laserski impulzi hkrati "obdelajo". To tehnologijo navadno označuje angleška kratica LWFA (Laser Wakefield Acceleration – pospeševalniki z laserskim poljem).

Dosežene rezultate dosedanjih študij lahko ocenimo na naslednji način: dobro, vendar bi bilo veliko bolje. V plazmi je bilo že mogoče ustvariti dinamična polja z rekordno visoko intenziteto približno 100 milijard V / m, vendar niso zelo stabilna. Morda je glavna težava, da je za doseganje ultrarelativističnih elektronov energije potrebno vzdrževati visoko intenziteto laserskega impulza na veliki dolžini svoje poti v plazmi, recimo, po vrstnem redu števca.Eden od najboljših načinov za rešitev tega problema je ustvarjanje plazemskih kanalov, skozi katere bi lahko propagirali laserski impulzi, kot pri valovodih. Za pridobitev takih kanalov obstajajo različni načini, ki se intenzivno proučujejo.

Skupina LOASIS. Na desni v ospredju je Wim Limans (z Wimom na obleki). Fotografije iz www.lbl.gov

Raziskovalci Berkeleya, ki jih vodi Wim Lymans (Wim Leemans), pokličejo svojo skupino LOASIS (integrirane študije laserske optike in sisteme pospeševalnikov). LOASIS že več let razvija metodo za pospeševanje elektronov znotraj kanalov v vodikovi plazmi, ki so bili predhodno ustvarjeni z uporabo para usmerjenih laserskih žarkov. Prvi žarek poteka skozi raztopljen vodik in "vaje" palice prihodnjega kanala. Potem je usmerjen drugi žarek, ki dodatno segreva plazmo in končno tvori kanal. Po tem poteka vodilni laserski impulz, ki ustvarja valovni val. Na ta način je mogoče doseči znaten elektronski pospešek, ne da bi se zatekla k uporabi posebej močnih laserjev, kar seveda poenostavi nalogo.

Jeseni leta 2004 je skupina Limans poročala o pospeševanju elektronov v plazemskem valovodu do energije 200 MeV (megaelectronvolt, 106 elektronski volt) z uporabo laserskih impulzov z maksimalno močjo samo 9 TW (terawatts, 1012 vat). Bila je čudovita predstavitev obljube o njihovi metodi, saj so druge skupine dobivale podobne rezultate s 30 laserji terawatt.

Vodilni laserski žarek poteka skozi plazmo v kapilarnem valovodu sapphire (fotografija iz www.lbl.gov)

Zadeva je pripomogla k nadaljnjemu napredku. Leaman se je sestal s fizikom Oxforda Simonom Hookerjem, ki je že dolgo sodeloval pri problemih v kanalizaciji v plazmi. Skupina Hooker je razvila metodo izdelave safirnih blokov, prežeta s zelo tanki kapilari. Mogoče je bilo črpanje vodika v takšno kapilarno in ga pretvoriti v ionizirano plazmo z odvajanjem električnega kondenzatorja. Plazemska gostota v sredini kapilare je bila zelo majhna in se je povečala v bližini sten. Laserski impulzi voznika bi lahko šli skozi zelo redčeni plazem centralne cone s praktično brez izgube hitrosti, kar je bilo potrebno za eksperimentiranje na ekspresnem elektronskem pospešku.Poleg tega so kapilarni safirji prispevali k stabilizaciji teh impulzov, kar je privedlo do povečanja dolžine poti, na kateri je potekalo pospeševanje elektronov.

V poskusih leta 2004 je skupina Limans dosegla pospešek elektronov na poti, dolgi le 2 milimetri, medtem ko so v kapsih sapirja elektroni postopoma pospeševali na centimetrskih razdaljah.

Skupine Lemans in Hooker sta se odločila združiti sile in začela skupne eksperimente, zdaj pa so že uporabljali laser z močjo 40 teravatov, da bi ustvarili valovite valove. S tem so razpršili elektrone v kapilarah z dolžino 33 milimetrov na energijo nekaj več kot 1 GeV. Nič manj pomembnega je dejstvo, da so uspeli pridobiti skoraj enokromatične elektronske šopke, znotraj katerih raztresanje delcev v energiji ni preseglo 2,5%. Rezultati tega eksperimenta pomenijo, da so se upori na pojav visokoenergetskih plazemskih elektronskih pospeševalcev pridobili veliko bolj trdno podlago.

Včasih morate prebrati, da tehnologija lasersko-plazemskega pospeševanja s časom omogoča, da pospešite elektrone do ultrarelativističnih energij skoraj na namiznih napravah.To se verjetno nikoli ne bo zgodilo, vendar je mogoče, da so pospeševalniki močnejši od SLC-ja, bodo postavljeni v zgradbah s precej običajnimi velikostmi. Strinjamo se, da to ni slabo.

Viri:
1) od nič do milijarde elektronskih voltov v 3,3 centimetrih (najvišja energija pa vse od pospeševanja laserskega Wakefielda) // sporočilo za javnost nacionalnega laboratorija Lawrence v Berkeleyju, 25.09.2006.
2) W. P. Leemans et al. Elektronski žarki GeV s centimetrskega pospeševalnika (ilustracije si lahko ogledate tukaj) // Naravna fizika, doi: 10.1038 / nphys418. Napredna spletna objava 24. septembra 2006.

Glej tudi:
Chandrashekar Joshi. Plazemski pospeševalci // "V svetu znanosti" številka 5, 2006.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

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