Pemecut elektron padat mencapai kelajuan baharu tanpa apa-apa selain cahaya

Imej daripada simulasi di mana nadi laser (merah) memacu gelombang plasma, mempercepatkan elektron di belakangnya. Titik kuning terang adalah kawasan dengan kepekatan elektron tertinggi. Dalam eksperimen, saintis menggunakan teknik ini untuk mempercepatkan elektron kepada hampir kelajuan cahaya dalam jarak hanya 20 sentimeter. Kredit: Bo Miao/IREAP

Para saintis yang memanfaatkan kawalan tepat laser ultrafast telah memecut elektron sepanjang regangan 20 sentimeter kepada kelajuan yang biasanya dikhaskan untuk pemecut zarah saiz 10 padang bola sepak.

Satu pasukan di Universiti Maryland (UMD) yang diketuai oleh Profesor Fizik dan Kejuruteraan Elektrik dan Komputer Howard Milchberg, dengan kerjasama pasukan Jorge J. Rocca di Colorado State University (CSU), mencapai kejayaan ini menggunakan dua denyutan laser dihantar melalui jet gas hidrogen. Nadi pertama mengoyakkan hidrogen, menebuk lubang melaluinya dan mencipta saluran plasma. Saluran itu membimbing nadi kuasa kedua yang lebih tinggi yang mencedok elektron keluar dari plasma dan menyeretnya bersama-sama selepas itu, mempercepatkan mereka kepada hampir kelajuan cahaya dalam proses itu.

Dengan teknik ini, pasukan itu mempercepatkan elektron kepada hampir 40% tenaga yang dicapai di kemudahan besar seperti Sumber Cahaya Koheren Linac (LCLS) sepanjang kilometer, pemecut di Makmal Pemecut Kebangsaan SLAC. Kertas itu diterima ke jurnal Kajian Fizikal X pada 1 Ogos 2022.

“Ini adalah pemecut elektron multi-GeV pertama yang dikuasakan sepenuhnya oleh laser,” kata Milchberg, yang juga bergabung dengan Institut Penyelidikan Elektronik dan Fizik Gunaan di UMD. “Dan dengan laser menjadi lebih murah dan lebih cekap, kami menjangkakan bahawa teknik kami akan menjadi cara untuk pergi untuk penyelidik dalam bidang ini.”

Memotivasikan kerja baharu ini ialah pemecut seperti LCLS, landasan sepanjang kilometer yang mempercepatkan elektron kepada 13.6 bilion volt elektron (GeV)—tenaga elektron yang bergerak pada 99.99999993% kelajuan cahaya. Pendahulu LCLS berada di belakang tiga penemuan yang memenangi hadiah Nobel tentang zarah asas. Kini, satu pertiga daripada pemecut asal telah ditukar kepada LCLS, menggunakan elektronnya yang sangat laju untuk menjana pancaran laser sinar-X yang paling berkuasa di dunia. Para saintis menggunakan sinar-X ini untuk melihat ke dalam atom dan molekul dalam tindakan, mencipta video tindak balas kimia. Video ini adalah alat penting untuk penemuan dadah, dioptimumkan simpanan tenagainovasi dalam elektronik, dan banyak lagi.

Mempercepatkan elektron kepada tenaga berpuluh-puluh GeV bukanlah sesuatu yang mudah. Pemecut linear SLAC memberikan elektron tolakan yang mereka perlukan menggunakan medan elektrik berkuasa yang merambat dalam satu siri tiub logam bersegmen yang sangat panjang. Jika medan elektrik lebih kuat, ia akan mencetuskan ribut petir di dalam tiub dan merosakkannya dengan serius. Oleh kerana tidak dapat menolak elektron dengan lebih kuat, penyelidik telah memilih untuk menolaknya lebih lama, menyediakan lebih banyak landasan untuk zarah memecut. Oleh itu kepingan sepanjang kilometer merentasi utara California. Untuk membawa teknologi ini ke skala yang lebih terurus, pasukan UMD dan CSU berusaha untuk meningkatkan elektron kepada hampir kelajuan cahaya menggunakan-cukup sesuai-cahaya itu sendiri.

“Matlamat akhirnya adalah untuk mengecilkan pemecut elektron skala GeV kepada bilik bersaiz sederhana,” kata Jaron Shrock, pelajar siswazah dalam fizik di UMD dan pengarang bersama pertama dalam kerja itu. “Anda mengambil peranti berskala kilometer, dan anda mempunyai satu lagi faktor 1,000 medan pecutan yang lebih kuat. Jadi, anda mengambil skala kilometer kepada skala meter, itulah matlamat teknologi ini.”

Mencipta medan pecutan yang lebih kuat dalam makmal menggunakan proses yang dipanggil laser wakefield acceleration, di mana nadi cahaya laser tertumpu padat dan sengit dihantar melalui plasma, mewujudkan gangguan dan menarik elektron bersama-sama selepasnya.

“Anda boleh bayangkan nadi laser seperti bot, ” kata Bo Miao, seorang rakan pasca doktoral dalam fizik di Universiti Maryland dan pengarang bersama pertama dalam kerja itu. “Apabila nadi laser bergerak dalam plasma, kerana ia sangat kuat, ia menolak elektron keluar dari laluannya, seperti air yang ditolak ke tepi oleh haluan bot. Elektron tersebut bergelung di sekeliling bot dan berkumpul betul-betul di belakangnya, bergerak masuk. nadi terjaga.”

Pecutan wakefield laser pertama kali dicadangkan pada tahun 1979 dan ditunjukkan pada tahun 1995. Tetapi jarak di mana ia boleh mempercepatkan elektron kekal terhad kepada beberapa sentimeter. Apa yang membolehkan pasukan UMD dan CSU memanfaatkan pecutan wakefield dengan lebih berkesan berbanding sebelum ini ialah teknik yang dipelopori oleh pasukan UMD untuk menjinakkan pancaran tenaga tinggi dan mengelakkannya daripada menyebarkan tenaganya terlalu nipis. Teknik mereka menebuk lubang melalui plasma, mencipta pandu gelombang yang memastikan tenaga rasuk difokuskan.

“Pandu gelombang membolehkan nadi merambat pada jarak yang lebih jauh, ” jelas Shrock. “Kita perlu menggunakan plasma kerana nadi ini adalah tenaga yang sangat tinggi, ia sangat terang, ia akan memusnahkan serat tradisional kabel optik. Plasma tidak boleh dimusnahkan kerana dalam erti kata tertentu ia sudah ada.”

Teknik mereka mencipta sesuatu yang serupa dengan kabel gentian optik—perkara yang membawa perkhidmatan internet gentian optik dan isyarat telekomunikasi lain—dari udara tipis. Atau, lebih tepat lagi, daripada jet gas hidrogen yang diukir dengan teliti.

Pandu gelombang gentian optik konvensional terdiri daripada dua komponen: “teras” pusat membimbing cahaya, dan “pelapis” di sekeliling menghalang cahaya daripada bocor. Untuk membuat pandu gelombang plasma mereka, pasukan menggunakan pancaran laser tambahan dan jet gas hidrogen. Apabila laser “pembimbing” tambahan ini bergerak melalui jet, ia merobek elektron daripada atom hidrogen dan mencipta saluran plasma. Plasma panas dan mula berkembang dengan cepat, menghasilkan “teras” plasma ketumpatan rendah dan gas ketumpatan lebih tinggi pada pinggirnya, seperti cangkerang silinder. Kemudian, pancaran laser utama (yang akan mengumpul elektron selepasnya) dihantar melalui saluran ini. Pinggir hadapan nadi ini menukarkan cangkang ketumpatan yang lebih tinggi kepada plasma juga, mewujudkan “pelapis.”

“Ia seakan-akan nadi pertama mengosongkan kawasan,” kata Shrock, “dan kemudian nadi berintensiti tinggi turun seperti kereta api dengan seseorang berdiri di hadapan melemparkan ke bawah landasan semasa ia bergerak.”

Menggunakan teknik pandu gelombang plasma yang dijana secara optik UMD, digabungkan dengan laser berkuasa tinggi dan kepakaran pasukan CSU, para penyelidik dapat mempercepatkan beberapa elektron mereka kepada 5 GeV yang mengejutkan. Ini masih merupakan faktor 3 kurang daripada pemecut besar-besaran SLAC, dan tidak cukup maksimum yang dicapai dengan pecutan wakefield laser (penghormatan itu dimiliki oleh pasukan di Lawrence Berkeley National Labs). Walau bagaimanapun, tenaga laser yang digunakan bagi setiap pecutan GeV dalam kerja baharu adalah satu rekod, dan pasukan mengatakan teknik mereka lebih serba boleh: Ia berpotensi menghasilkan letupan elektron beribu-ribu kali sesaat (berbanding kira-kira sekali sesaat), menjadikan ia satu teknik yang menjanjikan untuk banyak aplikasi, daripada tenaga yang tinggi fizik kepada penjanaan sinar-X yang boleh mengambil video molekul dan atom dalam tindakan seperti di LCLS. Memandangkan pasukan telah menunjukkan kejayaan kaedah tersebut, mereka merancang untuk memperhalusi persediaan untuk meningkatkan prestasi dan meningkatkan pecutan kepada tenaga yang lebih tinggi.

“Pada masa ini, elektron dijana sepanjang pandu gelombang penuh, 20 sentimeter panjang, yang menjadikan pengagihan tenaga mereka kurang ideal,” kata Miao. “Kami boleh menambah baik reka bentuk supaya kami boleh mengawal tempat ia disuntik dengan tepat, dan kemudian kami boleh mengawal kualiti pancaran elektron yang dipercepatkan dengan lebih baik.”

Walaupun impian LCLS di atas meja masih belum menjadi kenyataan, penulis mengatakan karya ini menunjukkan jalan ke hadapan. “Terdapat banyak kejuruteraan dan sains yang perlu dilakukan antara sekarang dan kemudian,” kata Shrock. “Pemecut tradisional menghasilkan pancaran yang sangat berulang dengan semua elektron mempunyai tenaga yang sama dan bergerak dalam arah yang sama. Kami masih belajar bagaimana untuk meningkatkan sifat pancaran ini dalam pemecut medan wakefield laser berbilang GeV. Ia juga berkemungkinan untuk mencapai tenaga pada skala berpuluh-puluh GeV, kita perlu mementaskan berbilang pemecut medan bangun, menghantar elektron dipercepatkan dari satu peringkat ke peringkat seterusnya sambil mengekalkan kualiti pancaran. Jadi masih jauh antara sekarang dan mempunyai kemudahan jenis LCLS bergantung pada laser pecutan wakefield.”


Pandu gelombang plasma skala meter menolak sampul pemecut zarah


Maklumat lanjut:
B. Miao et al, Tandan Elektron Multi-GeV daripada Pemecut Wakefield Laser Semua Optik, Kajian Fizikal X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031038

Disediakan oleh
Universiti Maryland


Petikan: Pemecut elektron padat mencapai kelajuan baharu tanpa apa-apa selain cahaya (2022, 19 September) diambil 20 September 2022 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We want to say thanks to the writer of this short article for this amazing web content

Pemecut elektron padat mencapai kelajuan baharu tanpa apa-apa selain cahaya


Find here our social media profiles and other pages related to it.https://paw6.info/related-pages/