Pemerhatian langsung gelombang plasma sangat tak linear

Gelombang plasma sangat tak linear (berwarna hijau) yang dipacu oleh nadi laser yang kuat mencapai titik pecah gelombang, di mana sebahagian kecil elektron plasma (berwarna merah) ditangkap oleh medan bangun dan dipercepatkan. Kredit: Igor Andriyash, Yang Wan dan Victor Malka.

Sejak beberapa dekad yang lalu, ahli fizik dan jurutera telah cuba mencipta pemecut plasma-laser yang semakin padat, teknologi untuk mengkaji interaksi jirim dan zarah yang dihasilkan oleh interaksi antara pancaran laser ultrafast dan plasma. Sistem ini merupakan alternatif yang menjanjikan kepada mesin berskala besar sedia ada berdasarkan isyarat frekuensi radio, kerana ia boleh menjadi jauh lebih cekap dalam mempercepatkan zarah bercas.

Walaupun pemecut laser-plasma belum digunakan secara meluas, beberapa kajian telah menyerlahkan nilai dan potensinya. Untuk mengoptimumkan kualiti pancaran laser dipercepatkan yang dihasilkan oleh peranti ini, bagaimanapun, penyelidik perlu dapat memantau beberapa proses fizikal ultra-pantas dalam masa nyata.

Penyelidik di Institut Sains Weizmann (WIS) di Israel baru-baru ini telah mencipta kaedah untuk memerhati secara langsung gelombang plasma relativistik dipacu laser dan bukan linear dalam masa nyata. Menggunakan kaedah ini, diperkenalkan dalam kertas kerja yang diterbitkan dalam Fizik Alam Semula Jadimereka dapat mencirikan plasma tak linear pada resolusi temporal dan spatial yang sangat tinggi.

“Pengimejan gelombang plasma dipacu laser mikrometrik yang berjalan pada kelajuan cahaya adalah sangat mencabar, membayangkan penggunaan denyutan ultra-pendek cahaya atau tandan zarah bercas,” Yang Wan, salah seorang penyelidik yang menjalankan kajian itu, memberitahu Phys.org. “Walaupun cahaya boleh mendedahkan struktur dalam ketumpatan plasma, rasuk zarah menyelidik medan dalaman gelombang plasma dan dengan itu boleh memberi kita lebih banyak maklumat tentang keadaan gelombang ini, iaitu kapasiti mereka untuk menyuntik dan mempercepatkan elektron plasma.”

Kerja baru-baru ini oleh Wan dan rakan-rakannya adalah berdasarkan kajian bukti prinsip yang dijalankannya bersama bekas pasukan penyelidiknya di Universiti Tsinghua di China. Kajian terdahulu ini pada asasnya mengesahkan kebolehlaksanaan pengimejan gelombang sinusoidal linear yang lebih lemah (iaitu, perwakilan semula jadi tentang berapa banyak perkara dan sistem dalam alam berubah keadaan dari semasa ke semasa).

“Untuk memerhatikan secara langsung gelombang plasma sangat tidak linear yang paling popular digunakan untuk pecutan elektron, kami membina dua pemecut plasma laser berkuasa tinggi menggunakan sistem laser dwi 100 TW kami di WIS,” jelas Wan. “Sistem ini menghasilkan probe elektron cas tinggi bertenaga tinggi dan satu lagi menghasilkan medan wakefield plasma sangat tak linear untuk disiasat. Dalam kajian penerokaan ini, kami telah menguji teknik pengimejan baharu ini ke hadnya, mencari struktur medan halus di dalam gelombang plasma tak linear.”

Matlamat awal eksperimen yang dijalankan oleh Wan dan rakan-rakannya di WIS adalah untuk memerhati gelombang plasma secara terperinci. Walau bagaimanapun, selepas melakukan ini, pasukan menyedari bahawa gelombang plasma tak linear menyimpang zarah probe dengan cara yang lebih menarik dan mengejutkan, bertindak melalui kedua-dua medan elektrik dan magnet.

“Apabila mentafsir maklumat ini dengan model teori dan berangka, kami mengenal pasti ciri yang berkait secara langsung dengan pancang elektron padat di bahagian belakang ‘gelembung plasma’ yang terbentuk,” kata Wan. “Untuk pengetahuan terbaik kami, ini adalah ukuran pertama bagi struktur halus sedemikian di dalam gelombang plasma tak linear.”

Wan dan rakan-rakannya kemudiannya meningkatkan kuasa laser pemandu yang digunakan dalam eksperimen mereka. Ini membolehkan mereka mengenal pasti apa yang dipanggil “pemecah gelombang,” keadaan selepas itu gelombang plasma tidak lagi boleh berkembang, jadi ia sebaliknya menangkap elektron plasma dalam medan pecutannya. Pemecah gelombang adalah fenomena fizikal asas, terutamanya dalam plasma.

“Pencapaian penting pertama kerja kami ialah pengimejan bidang plasma relativistik yang sangat kuat, kerana ia mengeksploitasi ciri unik pemecut plasma-laser seperti itu-tempoh rasuk beberapa femtosaat dan saiz sumber rasuk mikrometer, yang menyediakan ultra -resolusi spatioteproal tinggi untuk menangkap fenomena mikroskopik yang berjalan di kelajuan cahaya,” kata Wan. “Dengan pengimejan gelombang plasma, kami juga secara langsung memerhatikan proses halus ‘pemecah gelombang’, yang itu sendiri merupakan pengalaman yang indah.”

Hebatnya, pengukuran yang dikumpul oleh pasukan penyelidik ini adalah mustahil untuk dicapai menggunakan mana-mana pemecut konvensional sedia ada berdasarkan teknologi radiofrekuensi. Pada masa akan datang, kerja mereka boleh memberi inspirasi kepada pasukan lain untuk mencipta kaedah eksperimen yang serupa untuk memerhatikan banyak nuansa plasma dengan lebih lanjut.

“Pemecahan gelombang juga penting untuk pemecut berasaskan plasma, disebabkan oleh penghasilan elektron relativistik daripada suntikan diri,” kata Wan. “Mekanisme suntikan ini agak penting dalam pemecut multi-GeV satu peringkat di mana sukar untuk mengekalkan suntikan terkawal dalam masa operasi yang lama.”

Kerja baru-baru ini oleh Wan dan rakan-rakannya boleh mempunyai banyak implikasi penting untuk pembangunan dan penggunaan pemecut laser-plasma. Paling ketara, ia memperkenalkan alat berharga untuk mengenal pasti proses suntikan diri elektron dalam masa nyata, yang akan membolehkan penyelidik memperhalusi pemecut dan meningkatkan kualiti pancaran mereka.

“Kami kini mempunyai alat yang unik dan berkuasa untuk meneroka bidang yang melampau untuk menyiasat banyak soalan asas lain dalam julat yang lebih luas parameter plasma yang relevan untuk fizik termasuk wakefield dipacu rasuk zarah, interaksi rasuk-plasma dan dinamik plasma berkaitan gabungan,” Prof. Victor Malka, penyiasat utama kajian dan ketua penyelidik kumpulan itu, memberitahu Phys.org. “Masa depan adalah sangat mengujakan, dan kami tidak sabar untuk pergi lebih mendalam ke dalam penerokaan fenomena yang kaya dalam plasma fizik.”


Pecutan rekod dunia: Sifar hingga 7.8 bilion volt elektron dalam 8 inci


Maklumat lanjut:
Yang Wan et al, Pemerhatian langsung gelombang plasma pecah relativistik, Fizik Alam Semula Jadi (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01717-6

© 2022 Rangkaian Sains X

Petikan: Pemerhatian langsung gelombang plasma sangat tak linear (2022, 15 September) diperoleh 16 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 would like to thank the author of this article for this outstanding content

Pemerhatian langsung gelombang plasma sangat tak linear


You can find our social media accounts as well as other related pageshttps://paw6.info/related-pages/