Acceleratoarele de plasmă au depășit pragul de 1 GeV • Alexey Levin • Știința științifică despre "Elemente" • Fizica

Acceleratoarele de plasmă depășesc pragul de 1 GeV

Clusterele electronice de înaltă calitate cu o energie de 1 GeV, obținute în experimentele recente ale grupului LOASIS (imagine de pe site-ul www.lbl.gov)

Fizicienii de la Laboratorul National Lawrence Berkeley (Laboratorul National Lawrence Berkeley), in colaborare cu colegii de limba engleza de la Universitatea Oxford, au crescut semnificativ eficienta acceleratiei plasmatice a electronilor cu laser. Aceste studii aduc crearea unei noi generații de acceleratoare electronice puternice și, în același timp, de mare putere, care accelerează aceste particule nu într-un vid înalt, ci într-o plasmă. Rezultatele experimentului vor fi publicate în numărul din octombrie. Fizica naturii.

După cum se știe, acceleratoarele puternice de electroni diferă în dimensiuni mai mult decât solide. De exemplu, colizorul liniar (SLC, SLAC Linear Collider) al Centrului Accelerator Linear Stanford (SLAC, Stanford Linear Acceleration Center), care aduce energia electronilor la 50 GeV (GV, 109 electron volt), are o lungime de 3200 de metri. Și asta nu este întâmplător. Dimensiunile acceleratoarelor de vid de frecvență radio depind de limita de intensitate a câmpului electric accelerator, care nu depășește 100 milioane V / m (volți pe metru) datorită posibilității de avarie (indicatorul de funcționare SLC este mult mai mic – 20 milioane V / m).

Din acest motiv, de câteva decenii, oamenii de știință au discutat despre posibilitatea de accelerare a electronilor nu în spațiu gol, ci într-o plasmă. În acest caz, electronii măresc viteza, deplasând "pe creastă" tulburările de propagare rapidă a densității încărcăturii plasmatice, așa numitele valuri trezire (Eng. wakefield). Accelerarea plasmei în valurile de trezire, în principiu, permite o creștere a câmpului electric cu trei până la patru ordine de mărime și, în același timp, nu creează pericolul unei defecțiuni.

Ghidul de undă capilar este umplut cu hidrogen. O descărcare electrică între electrozii de la capetele ghidului de undă încălzește gazul, transformându-l într-o plasmă. Laserul accelerează fasciculul de electroni, care este ghidat de electromagneți și monitorizat utilizând un ecran cu fosfor

Valurile de undă în plasmă sunt excitate de impulsuri laser. Astfel de impulsuri împing literalmente electronii din calea lor și astfel provoacă perturbări ale densității lor. Ca urmare, un impuls laser pare să tragă un val de densitate de încărcare, de aceea se numește trezire. Deoarece această undă se propagă după un impuls fără întârziere, viteza de fază coincide cu viteza de grup a pulsului în sine.În cazul în care plasma este suficient de rare, viteza pulsului este foarte puțin diferită de viteza luminii. Viteza de fază a undelor trezite atinge aceleași valori, ceea ce ne permite să accelerăm electronii la energii relativiste și chiar ultrarelativiste.

Posibilitățile de accelerare laser a electronilor în undele plasmatice trecute sunt studiate în multe laboratoare din întreaga lume. În aceste experimente, în plasmă se injectează fascicule de electroni accelerați (electronii înșiși pot fi pre-accelerați într-un accelerator de frecvență radio convențional), care este simultan "procesat" de impulsuri laser. Această tehnologie este de obicei indicată prin abrevierea engleză LWFA (Laser Wakefield Acceleration – acceleratoare cu un câmp de trezire cu laser).

Rezultatele acestor studii realizate până în prezent pot fi evaluate după cum urmează: bine, dar ar fi mult mai bine. În plasmă, era deja posibil să se creeze câmpuri dinamice cu o intensitate record de aproximativ 100 miliarde V / m, însă acestea nu sunt foarte stabile. Poate că principala dificultate este că, pentru a obține energii electronice ultrarelativiste, este necesar să se mențină o intensitate ridicată a pulsului laser pe o lungime mare a căii sale într-o plasmă, de exemplu, la ordinul unui contor.Una dintre cele mai bune metode de a rezolva această problemă este de a crea canale de plasmă prin care pulsurile laser s-ar putea propaga, ca și în ghidurile de undă. Pentru a obține astfel de canale, există diferite moduri care sunt acum studiate intens.

Grupul LOASIS. Pe dreapta în prim-plan se află Wim Limans (cu Wim pe rochie). Fotografii de la www.lbl.gov

Cercetătorii de la Berkeley condus de Wim Lymans (Wim Leemans) numesc grupul lor LOASIS (Laser Optics and Accelerator Systems Integrated Studies). De mai mulți ani, LOASIS a dezvoltat o metodă de accelerare a electronilor în interiorul canalelor într-o plasmă de hidrogen, care au fost create anterior folosind o pereche de fascicule laser cu focalizare. Primul fascicul trece prin hidrogenul rarificat și "sfărâmă" tija canalului viitor. Apoi, un al doilea fascicul este îndreptat acolo, care în plus încălzește plasma și în final formează un canal. După aceasta, pulsul laser de conducere este trecut prin el, ceea ce creează un val de trezire. În acest fel, este posibilă realizarea unei accelerații electronice semnificative fără a se recurge la utilizarea de lasere deosebit de puternice, care, desigur, simplifică sarcina.

În toamna anului 2004, grupul Limans a raportat despre accelerarea electronilor într-un ghid de undă cu plasmă la o energie de 200 MeV6 electron volt) folosind impulsuri laser cu o putere de vârf de doar 9 TW (terawatts, 1012 wați). A fost o demonstrație minunată a promisiunii metodei lor, deoarece alte grupuri au obținut rezultate similare cu cele 30 de labe terawatt.

Fasciculul laser principal trece prin plasmă în interiorul ghidului de undă capilar capilar (foto de la www.lbl.gov)

Cazul a ajutat la progresul în continuare. Leaman sa întâlnit cu fizicianul din Oxford, Simon Hooker, care a fost mult timp implicat în probleme de canalizare din plasmă. Grupul Hooker a dezvoltat o metodă de fabricare a blocurilor de safir, permeabile cu capilare foarte subțiri. A fost posibilă pomparea hidrogenului într-un astfel de capilar și transformarea acestuia într-o plasmă ionizată, utilizând descărcarea unui condensator electric. Densitatea plasmei în centrul capilarului a fost foarte mică și a crescut în apropierea pereților. Impulsurile laser ale șoferului ar putea trece printr-o plasmă extrem de redusă a zonei centrale, practic fără pierderi de viteză, ceea ce era necesar pentru experimentele privind accelerarea electronilor trezite.În plus, capilarele safir au contribuit la stabilizarea acestor impulsuri, ceea ce a dus la o creștere a lungimii pistei pe care a avut loc accelerarea electronilor.

În experimentele din 2004, grupul Limans a atins accelerarea electronilor pe o cale de numai 2 milimetri, în timp ce în interiorul capilarelor safir electronii au fost accelerați constant la distanțe de centimetru.

Grupurile lui Lemans și Hooker au decis să-și unească forțele și au început experimente comune, iar acum au folosit deja un laser de 40 de terawați pentru a genera unde trezite. Cu aceasta, ei au dispersat electroni în capilari de 33 de milimetri până la o energie de puțin peste 1 GeV. Nu mai puțin important este faptul că au reușit să obțină fascicule de electroni aproape monocromatice, în cadrul cărora împrăștierea particulelor în energie nu depășea 2,5%. Rezultatele acestui experiment înseamnă că speranțele pentru apariția acceleratoarelor de electroni cu plasmă de înaltă energie au câștigat un teren mult mai solid.

Uneori trebuie să citiți că tehnologia de accelerare a plasmei laser cu timpul vă va permite să accelerați electronii la energii ultrarelativiste aproape pe instalațiile desktop.Acest lucru nu se poate întâmpla niciodată, dar este posibil ca acceleratoarele să fie mult mai puternice decât SLC, vor fi plasate în clădiri de dimensiuni destul de obișnuite. Suntem de acord că acest lucru nu este rău.

surse:
1) De la zero la miliard de electroni volți în 3,3 centimetri (cele mai mari energii încă de la accelerarea cu laser Wakefield) // Comunicat de presă al Laboratorului Național Lawrence din Berkeley, 25.09.2006.
2) W. P. Leemans și colab. GeV-uri electronice de la un accelerator cu centimetri (ilustrațiile pot fi vizualizate aici) // Fizica naturii, doi: 10.1038 / nphys418. Advance online publicație 24 septembrie 2006.

Vezi și:
Chandrashekar Joshi. Acceleratoare de plasmă // "În lumea științei" nr. 5, 2006.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

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