Akceleratori u plazmi prešli su granicu od 1 GeV • Alexey Levin • Znanstvena vijest o "Elementima" • Fizika

Akceleratori u plazmi nadvladaju prag od 1 GeV

Visokokvalitetni klonovi elektrona s energijom od 1 GeV, dobiveni u nedavnim eksperimentima grupe LOASIS (slika sa stranice www.lbl.gov)

Fizičari Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley (Lawrence Berkeley National Laboratory) u suradnji s engleskim kolegama na Sveučilištu Oxford značajno su povećali učinkovitost ubrzanja elektrona laserske plazme. Ove studije donose stvaranje nove generacije snažnih i istodobno kompaktnih visokoenergetskih akceleratora, koji ubrzavaju te čestice ne u visokom vakuumu već u plazmi. Rezultati eksperimenta bit će objavljeni u listopadskom izdanju. Fizika prirode.

Kao što je dobro poznato, snažni elektronski akceleratori razlikuju se u više od krutih dimenzija. Na primjer, linearni sudoper (SLC, SLAC Linear Collider) Stanford Linear Accelerator Centra (SLAC, Stanford Linear Acceleration Center), koji donosi energiju elektrona na 50 GeV (GV, 109 elektronički volt), ima dužinu od 3200 metara. A ovo nije slučajno. Dimenzije akceleratora ubrzanja radijskih frekvencija ovise o granici intenziteta električnog polja ubrzavanja, što zbog mogućeg kvara ne prelazi 100 milijuna V / m (brojilo po metru) (SLC operativni pokazatelj je znatno manji – 20 milijuna V / m).

Iz tog razloga, nekoliko desetljeća znanstvenici su raspravljali o mogućnosti ubrzanja elektrona, a ne u prazno, ali u plazmi. U ovom slučaju, elektroni povećavaju brzinu, krećući se "na grebenu" brzih propagirajućih smetnji gustoće naboja u plazmi, tzv. buđenje valovi (Engl. Wakefield). Ubrzanje plazme u valovima budnosti u principu dopušta povećanje električnog polja za tri do četiri reda veličine i istodobno ne stvara opasnost od kvara.

Kapilarni valovod je napunjen vodikom. Električno pražnjenje između elektroda na krajevima valovoda zagrijava plin i pretvara ga u plazmu. Laserski ubrzava elektronsku zraku, kojom upravljaju elektromagneti i prate pomoću fosfornog zaslona

Wake valovi u plazmi su uzbuđeni laserskim impulsima. Takvi impulsi doslovno guraju elektrone iz njihovog puta i time uzrokuju perturbacije njihove gustoće. Kao rezultat toga, čini se da puls lasera zvuči val gustoće naboja, zbog čega se naziva probuditi. Budući da se ovaj val propagira nakon pulsa bez odgađanja, njegova faza brzine podudara se s grupnom brzinom impulsa.Ako je plazma dovoljno rijetka, brzina pulsa je vrlo malo drugačija od brzine svjetlosti. Brzina faze valova nakon dane vrijednosti doseže iste vrijednosti, što nam omogućava ubrzavanje elektrona relativističkim i čak ultrarelativnim energijama.

Mogućnosti laserskog ubrzanja elektrona u probuditi plazma valovima proučavaju se u mnogim laboratorijima širom svijeta. U tim eksperimentima hrpe ubrzanih elektrona se ubrizgavaju u plazmu (elektroni se mogu prethodno ubrzati u konvencionalnom akceleratoru radio frekvencije), koji se istodobno "obrađuju" laserskim impulsima. Ova tehnologija obično se označava engleskom kraticom LWFA (Laser Wakefield Acceleration – akceleratori s poljem laserskog osvjetljenja).

Rezultati dosadašnjih dosadašnjih istraživanja mogu se ocijeniti kako slijedi: dobro, ali bilo bi mnogo bolje. U plazmi je već bilo moguće stvoriti dinamična polja s rekordnim visokim intenzitetom od oko 100 milijardi V / m, međutim, oni nisu vrlo stabilni. Možda je glavna poteškoća da, kako bi se postigla ultrarelativna energija elektrona, potrebno je održati visoki intenzitet laserskog impulsa preko velike dužine njezinog puta u plazmi, recimo, po redoslijedu brojila.Jedan od najboljih načina za rješavanje ovog problema je stvaranje plazma kanala kroz koje bi se mogli širiti laserski impulsi, kao u valovodu. Za dobivanje takvih kanala postoje razni načini koji se intenzivno proučavaju.

LOASIS grupa. Desno u prvom planu je Wim Limans (s Wimom na ogrtaču). Fotografije iz www.lbl.gov

Istraživači Berkeleya na čelu s Wimom Lymansom (Wim Leemans) pozivaju grupu LOASIS (Integrirane studije laserske optike i akceleratorskih sustava). Već nekoliko godina, LOASIS razvija metodu za ubrzavanje elektrona unutar kanala u vodikovoj plazmi, koji su prethodno stvoreni pomoću dva fokusirana laserska zraka. Prva zraka prolazi kroz rijetki vodik i "buši" šipku budućeg kanala. Onda je usmjerena druga zraka, koja dodatno zagrijava plazmu i konačno stvara kanal. Nakon toga prolazi se vodeći laserski impuls koji stvara val nakon probudanja. Na taj način moguće je postići značajno ubrzanje elektrona bez korištenja posebno snažnih lasera, što, naravno, pojednostavljuje zadatak.

U jesen 2004. godine Limansova skupina izvijestila je o ubrzanju elektrona u plazmi valovodu do energije od 200 MeV (megaelektronvolt, 106 elektronski volumen) pomoću laserskog impulsa sa vršnom snagom od samo 9 TW (terawatts, 1012 vata). Bilo je to divno pokazivanje obećanja njihove metode, budući da su ostale skupine dobile slične rezultate s 30 terawatt lasera.

Vodeća laserska zraka prolazi kroz plazmu unutar kapilarnog valovoda za safir (fotografija iz www.lbl.gov)

Slučaj je pomogao daljnjem napretku. Leaman sastao se s Oxfordovim fizičarom Simonom Hookerom, koji je dugo bio uključen u probleme s kanalizacijom u plazmi. Hookerova grupa razvila je metodu za proizvodnju blokova za safir, prožeta vrlo tankim kapilama. Bilo je moguće pumpati vodik u takav kapilar i pretvoriti ga u ioniziranu plazmu uz ispuštanje električnog kondenzatora. Gustoća plazme u središtu kapilare bila je vrlo mala i povećana u blizini zidova. Laserski impulsi vozača mogli bi proći kroz vrlo rijetku plazmu središnje zone s praktički nikakvim gubitkom brzine, što je bilo potrebno za pokuse na brzini elektronskog ubrzanja.Osim toga, safirske kapilare doprinijele su stabilizaciji tih impulsa, što je dovelo do povećanja duljine staze na kojoj se dogodio ubrzanje elektrona.

U pokusima iz 2004. godine skupina Limans postigla je ubrzanje elektrona na putu od samo 2 milimetara, dok su unutar safirnih kapilara elektrona stalno ubrzavani na centimetarskim udaljenostima.

Skupine Lemans i Hooker odlučile su udružiti snage i započele zajedničke eksperimente, a sada su već koristili laser od 40 terawata za stvaranje buđenja valova. Uz to, raspršili su elektrone u kapilare s dužinom od 33 milimetara do energije od nešto više od 1 GeV. Ni manje važno je činjenica da su uspjeli nabaviti gotovo monokromatske elektronske grozdove unutar kojih se rasipanje čestica u energiji ne prelazi 2,5%. Rezultati ovog eksperimenta znače da se nade za pojavljivanje visokoenergetskih akceleratora plazma elektronike dobivaju puno čvršću podlogu.

Ponekad morate pročitati da će tehnologija ubrzanja laserske plazme s vremenom omogućiti da ubrzate elektrone do ultrarelativnih energija gotovo na desktop instalacijama.To se vjerojatno neće dogoditi, ali moguće je da su ubrzivači mnogo jači od SLC-a, postavljeni u zgrade prilično obične veličine. Slažemo se da to nije loše.

izvori:
1) Od nula do milijardu elektrona u 3,3 centimetra (najviša energija još iz laserskog ubrzanja Wakefielda) // Press release Nacionalnog laboratorija Lawrence u Berkeley, 25.09.2006.
2) W. P. Leemans i sur. GeV elektronske zrake s akceleratora na centimetarskoj skali (slike mogu se pogledati ovdje) // Fizika prirode, doi: 10,1038 / nphys418. Advance online publikacija 24. rujna 2006.

Vidi također:
Chandrashekar Joshi. Akceleratori u plazmi // "U svijetu znanosti" br. 5, 2006.

Alexey Levin


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: :???: :?: :!: