Plazmové urychlovače překonaly prahovou hodnotu 1 GeV • Alexey Levin • Vědecké zprávy o "prvcích" • Fyzika

Plazmové akcelerátory překonávají prahovou hodnotu 1 GeV

Vysoce kvalitní elektronové klastry s energií 1 GeV získané v posledních experimentech skupiny LOASIS (obrázek z webu www.lbl.gov)

Fyzici z Národního laboratoře Lawrence Berkeley (National Laboratory Lawrence Berkeley) ve spolupráci s anglickými kolegy na Oxfordské univerzitě významně zvýšili účinnost laserové plazmové akcelerace elektronů. Tyto studie přinášejí vytvoření nové generace silných a současně kompaktních vysokoenergetických elektronických urychlovačů, které tyto částice urychlují nejen ve vysokém vakuu, ale v plazmě. Výsledky experimentu budou publikovány v říjnovém vydání. Přírodní fyzika.

Jak je dobře známo, silné elektronické urychlovače se liší ve více než pevných rozměrech. Například lineární zrychlovač (SLC, Linear Collider SLAC) Stanford Linear Accelerator Center (SLAC, Stanford Linear Acceleration Center), který přenáší energii elektronů na 50 GeV (GV, 109 elektronový volt), má délku 3200 metrů. A to není náhoda. Rozměry vysokofrekvenčního vakuového akcelerátoru závisí na intenzitě zrychlujícího elektrického pole, které nepřesahuje 100 milionů V / m (voltů na metr) z důvodu možnosti poruchy (provozní indikátor SLC je mnohem méně – 20 milionů V / m).

Z tohoto důvodu již několik desetiletí vědci diskutovali o možnosti akcelerace elektronů nejen v prázdném prostoru, ale v plazmě. V tomto případě elektrony zvyšují rychlost, pohybují "na hřebenu" rychle se šířících poruch hustoty plazmových nábojů, tzv. probudit (eng. wakefield). Zrychlení plazmových vln v zásadě umožňuje zvýšení elektrického pole o tři až čtyři řády a současně nepředstavuje nebezpečí poruchy.

Kapilární vlnovod je naplněn vodíkem. Elektrický výboj mezi elektrodami na koncích vlnovodu ohřívá plyn a přemění ho na plazmu. Laser zrychluje elektronový paprsek, který je veden elektromagnety a monitorován pomocí fosforového síta

Vlny vln v plazmě jsou vzrušeny laserovými impulsy. Takové pulsy doslova vytlačují elektrony z cesty a způsobují tak poruchy jejich hustoty. V důsledku toho se zdá, že laserový puls táhne vlnu hustoty náboje, což je důvod, proč se nazývá budit. Protože tato vlna se šíří po pulzu bez zpoždění, její fázová rychlost se shoduje se skupinovou rychlostí samotného impulsu.Pokud je plazma dostatečně ojedinělá, rychlost pulsu se velmi liší od rychlosti světla. Fázová rychlost vlny probuzení dosahuje stejných hodnot, což nám umožňuje urychlit elektrony na relativistické a dokonce i ultrarelativistické energie.

Možnosti laserové akcelerace elektronů v probuzení plazmových vln jsou studovány v mnoha laboratořích po celém světě. V těchto experimentech se do plazmatu vstříknou svazky zrychlených elektronů (elektrony samy o sobě mohou být předběžně urychleny u konvenčního akcelerátoru vysokofrekvenčního kmitočtu), který je současně "zpracováván" laserovými impulsy. Tato technologie je obvykle označována anglickou zkratkou LWFA (Laser Wakefield Acceleration – akcelerátory s pole laserového probuzení).

Dosud dosažené výsledky těchto studií lze hodnotit takto: dobře, ale mnohem lépe. V plazmatu bylo již možné vytvořit dynamická pole s rekordní vysokou intenzitou kolem 100 miliard V / m, avšak nejsou příliš stabilní. Možná hlavní obtíž je, že k dosažení ultrarelativistických elektronových energií je nutné udržovat vysokou intenzitu laserového impulsu po dlouhé dráze v plazmatu, řekněme na řádu měřidla.Jedním z nejlepších způsobů řešení tohoto problému je vytvoření plazmových kanálů, kterými by se mohly šířit laserové impulsy, jako u vlnovodů. K získání takových kanálů existují různé způsoby, které se nyní intenzivně zkoumají.

Skupina LOASIS. Vpravo v popředí je Wim Limans (s Wim na rouchu). Fotky z www.lbl.gov

Vědci z Berkeley vedeni Wima Lymansem (Wim Leemans) nazývají svou skupinu LOASIS (Interaktivní studie laserové optiky a urychlovačů). Již několik let vyvinula společnost LOASIS metodu pro urychlení elektronů uvnitř kanálů ve vodíkové plazmě, která byla dříve vytvořena pomocí dvojice zaměřených laserových paprsků. První paprsek prochází vzácným vodíkem a "vrtá" tyč budoucího kanálu. Pak je zde nasměrován druhý paprsek, který navíc zahřívá plazmu a nakonec tvoří kanál. Poté prochází vedoucí laserový impuls, který vytváří vlnu probuzení. Tímto způsobem je možné dosáhnout významného elektronového zrychlení bez použití silně výkonných laserů, což samozřejmě zjednodušuje úkol.

Na podzim roku 2004 skupina Limans informovala o zrychlení elektronů v plazmovém vlnovodu na energii 200 MeV (megaelectronvolt, 106 elektronový volt) pomocí laserových impulzů s maximálním výkonem pouhých 9 TW (terawatts, 1012 watt). Byla to úžasná demonstrace slibu jejich metody, jelikož jiné skupiny získaly podobné výsledky s 30 terawattovými lasery.

Vedoucí laserový paprsek prochází plazmou uvnitř safírového kapilárního vlnovodu (foto z www.lbl.gov)

Případ pomohl dalšímu pokroku. Leaman se setkal s Oxfordským fyzikem Simonem Hookerem, který se dlouho zabýval problémy s plazmou. Hookerova skupina vyvinula metodu pro výrobu safírových bloků, pronikajících velmi tenkými kapiláry. Bylo možné pumpovat vodík do takové kapiláry a převést ji do ionizované plazmy pomocí vypouštění elektrického kondenzátoru. Hustota plazmy ve středu kapiláry byla velmi malá a zvýšila se u jejích stěn. Řídicí laserové impulsy mohly projít velice zřetelnou plazmou centrální zóny s prakticky žádnou ztrátou rychlosti, což bylo nutné pro pokusy o zrychlení elektronového buzení.Navíc, safírové kapiláry přispěly ke stabilizaci těchto impulzů, což vedlo ke zvýšení délky dráhy, na níž došlo k akceleraci elektronů.

V experimentech roku 2004 skupina Limans dosáhla zrychlení elektronů na dráze dlouhé pouze 2 milimetry, zatímco uvnitř safírové kapiláry byly elektrony plynule zrychleny na centimetrové vzdálenosti.

Skupiny Lemans a Hooker se rozhodly spojit své síly a zahájily společné experimenty a nyní už používají 40-terawattový laser k vytváření vln. S ním rozptýlila elektrony v kapilárách o délce 33 milimetrů na energii jen přes 1 GeV. Neméně důležitá je skutečnost, že se jim podařilo získat téměř monochromatické elektronové svazky, v nichž rozptyl částic v energii nepřekročil 2,5%. Výsledky tohoto experimentu znamenají, že naděje na vzhled vysokoenergetických plazmových elektronových akcelerátorů získaly mnohem pevnější půdu.

Někdy musíte číst, že technologie laserového plazmového zrychlení s časem vám umožní urychlit elektrony k ultrarelativistickým energiím téměř v instalacích desktopů.To se pravděpodobně nikdy nestane, ale je možné, že urychlovače jsou mnohem silnější než SLC, budou umístěny v budovách zcela běžných rozměrů. Souhlasíme, že to není špatné.

Zdroje:
1) Od nuly k miliónu elektronů voltů za 3,3 centimetrů (nejvyšší energie ještě z akcelerace laserem Wakefield) // Tisková zpráva Národního laboratoře Lawrence v Berkeley, 25.09.2006.
2) W. P. Leemans a kol. GeV elektronové paprsky z centimetrového akcelerátoru (obrázky zde můžete prohlížet) // Přírodní fyzika, dva: 10.1038 / nphys418. Advance online publikace 24. září 2006.

Viz též:
Chandrashekar Joshi. Plazmové urychlovače // "Ve světě vědy" č. 5, 2006.

Alexey Levinová


Like this post? Please share to your friends:

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