Penderas plasma plasma generasi baru telah diwujudkan • Igor Ivanov • Berita Sains mengenai "Unsur" • Fizik

Penderas plasma plasma generasi baru telah dicipta.

"border = 0>Rajah. 1. Skim percepatan elektron plasma plasma semua-optik dengan panjang beberapa milimeter (untuk keterangan, lihat teks). Imej dari J. S. Liu et al.

Segera, dua kumpulan eksperimen membina pemecut plasma dua peringkat plasma baru. Sekumpulan elektron diciptakan dan dipercepatkan kepada tenaga sekitar 1 GeV dengan satu nadi laser, dan panjang tandem "penyuntik dan pemecut" tidak melebihi satu sentimeter.

Skala pemecut zarah moden adalah mengagumkan. Panjang terowong Hadron Collider Besar adalah 27 km, dan penjana elektron-positron linear generasi akan datang yang direka kini akan panjang sekitar 50 kilometer. Begitu besar untuk ukuran instrumen saintifik – bukan fizik fizikal; mereka timbul dengan sebab mudah bahawa teknologi moden tidak mampu mempercepatkan zarah-zarah asas yang cukup cepat.

Secara umum, zarah dipercepat oleh medan elektrik yang kuat, dan, semakin kuat medan, lebih cepat percepatan. Dalam pemecut moden, medan elektrik gelombang radio berdiri digunakan, yang dipam dan dipegang dalam resonator superconducting logam khas.Tetapi teknik ini mempunyai had teknologi sendiri: jika gelombang radio terlalu kuat, arus terlalu besar akan mengalir melintasi permukaan resonator, dan bahan arus sedemikian tidak akan dapat bertahan. Oleh itu, had medan elektrik dalam resonator hari ini adalah sekitar 20 megavolts per meter (MV / m), dan ia tidak dapat meningkat dengan ketara lebih tinggi daripada nilai ini. Ini bermakna bahawa hanya boleh mencapai tenaga 500 GeV (tenaga elektron yang dirancang pada collider linear masa depan) pada jarak 25 km, kerana yang menjadi pelanggar linear bukan sahaja sangat rumit, tetapi juga peranti yang sangat mahal.

Penyelesaian yang mungkin untuk masalah ini mungkin merupakan teknologi baru yang mempercepatkan zarah-zarah asas. Teknologi sedemikian wujud – inilah yang dipanggil pecutan elektron bangun dalam plasma, dan ia telah pun dilaksanakan secara eksperimen. Dalam skema ini, medan elektrik superstrong tidak dibuat dalam struktur logam, tetapi dalam gelembung plasma kecil bergerak ke hadapan, yang dihasilkan oleh nadi laser superstrong atau sekumpulan zarah padat. Gumpalan elektron terbang ke gelembung ini dan, seolah-olah menunggang gelombang, mempercepatkan tenaga yang tinggi dalam masa yang singkat (untuk butiran, lihatdalam artikel popular Plasma Boosters).

Eksperimen ini menunjukkan bahawa medan elektrik dalam pemecut plasma sedemikian boleh beribu-ribu kali (!) Lebih tinggi daripada apa yang boleh dicapai dalam resonator. Sebagai contoh, pada tahun 2006, pecutan elektron kepada tenaga 1 GeV telah mencapai lebih dari 3 cm panjang, yang sepadan dengan bidang yang mempercepatkan 30 GV / m. Pencapaian ini membuka perspektif yang mengasyikkan – selepas semua, dengan menggunakan teknologi percepatan wakefield, kolon elektron-positron 500-GeV yang sama mungkin kelihatan serasi dalam seratus meter. Walau bagaimanapun, tidak semuanya sangat mudah: terdapat beberapa masalah yang perlu diatasi sebelum projek tersebut menjadi kenyataan.

Pertama, teknik semacam itu hanya diuji di tapak panjang dalam sentimeter (namun, sekarang ada cadangan bagaimana mengatasi kesulitan ini). Oleh itu, untuk mencapai tenaga yang benar-benar tinggi, diperlukan untuk mempercepatkan zarah-zarah, memacu mereka melalui "langkah-langkah akselerator" berturut-turut. Walau bagaimanapun, kombinasi sel-sel yang mempercepatkan belum dilaksanakan. Kedua, pemecut tidak boleh mencampakkan terlalu banyak sekumpulan zarah dipercepat sama ada di angkasa, atau pada sudut perbezaan, atau dalam tenaga.

Pada bulan Julai di majalah itu Surat Pemeriksaan Fizikal Dua artikel muncul sekaligus yang dilaporkan dalam mengatasi masalah ini. Lebih khusus lagi, dua kumpulan penyelidik secara bebas membina pemecut elektron-plasma elektron plasma semua peringkat. Skim percubaan ditunjukkan dalam Rajah. 1. Sebagai contoh, di sini adalah pemasangan kumpulan ahli fizik Cina; Skim percubaan dalam artikel kumpulan Amerika amat serupa.

Jantung pemasangan adalah dua ruang silinder berukuran milimeter bersambung. Ruang pertama dipenuhi dengan campuran helium dan oksigen; yang kedua adalah helium tulen. Satu denyut nadi laser tumpuan ultrashort yang kuat bergerak secara berurutan melalui kedua-dua dewan, mengionkan gas dan mewujudkan gelembung plasma pertama pada pertama dan kemudian di ruang kedua. Gas bekerja untuk membuat plasma dan elektron percepatan adalah helium, dan oksigen dalam ruang pertama diperlukan sebagai sumber elektron. Pemasangan bukan untuk apa-apa yang dipanggil "pemecut semua-optik": tiada elektron luaran memasukinya. Elektron dijana di ruang pertama kerana pengionan atom oksigen di bawah tindakan kilat laser, di sana juga pra-dipercepatkan,maka mereka disuntik ke dalam ruang kedua, mempercepatkan lebih banyak lagi (kerana kilat laser yang sama) dan kemudian pergi ke luar.

Oleh itu, pada masa kurang dari satu sentimeter, ahli fizik berjaya mewujudkan keseluruhan kompleks pemecut: penyuntik dengan pemecut permulaan, talian penghantaran, dan kemudian pemecut utama. Kami menekankan bahawa kedua-dua bahagian pemecut ini tidak berfungsi secara bebas, tetapi dalam satu tandem: satu denyut nadi ultrashort tunggal melalui kedua-dua kamera melakukan semua kerja dalam satu pas: ia menghasilkan gelembung plasma yang diperlukan, menghasilkan sekumpulan elektron padat, dan kemudian mempercepatkannya dua kamera.

Eksperimen telah menunjukkan bahawa tenaga tandan elektron pada output bergantung pada kedua-dua panjang bahagian mempercepat dan kuasa kilat. Ketergantungan pada kuasa laser ternyata tidak cukup mudah: tenaga elektron tertinggi pada output (0.8 GeV) tidak dapat dicapai sama sekali dengan kuasa kilat maksimum. Ini kerana fakta bahawa sekumpulan elektron bukan sahaja perlu masuk ke dalam gelembung plasma, tetapi juga berada dekat dengan dinding belakangnya – di sana medan elektrik paling kuat.

Rajah. 2 Tenaga (secara mendatar) dan sudut (menegak) pengedaran elektron selepas penyuntik (di bahagian atas) dan pada output pemecut dua peringkat (turun di bawah). Imej dari B. B. Pollock et al.

Satu lagi kejayaan skim percepatan dua peringkat ini adalah ciri-ciri luar biasa dari sekumpulan elektron pada output. Dalam ara. 2 menunjukkan pembahagian elektron dalam tenaga dan perbezaan sudut keluaran; imej di bahagian atas sepadan dengan hanya satu peringkat (penyuntik tanpa pemecut), imej di bahagian bawah sepadan dengan tandem penuh. Dalam kedua-dua kes, tenaga elektron ditunjukkan secara mendatar, dan perbezaan sudut dalam miliradia ditunjukkan secara menegak (sudut satu darjah adalah kira-kira 17 mrad). Gambar-gambar di atas dan di bawah berbeza secara dramatik. Selepas peringkat penyuntik, elektron mempercepatkan kepada kira-kira 100 MeV, tetapi tenaga mereka tersebar ke pelbagai luas. Walau bagaimanapun, selepas melewati tahap kedua pemecut, rasuk ini bukan sahaja memperoleh tenaga hampir 0.5 GeV, tetapi juga menjadi lebih padat, baik dalam tenaga dan sudut.

Pengarang kedua-dua kertas tersebut mencatatkan bahawa skim semasa masih boleh dioptimumkan, sementara mencapai tenaga 10 GeV. Oleh itu, mendapatkan tandan elektron multihevel padat dalam percubaan semata-mata optik dan praktikal benchtop nampaknya menjadi perkara masa depan yang terdekat.Sudah tentu, pemecut laser sedemikian tidak dapat dengan pelaku besar semasa pada kilauan (iaitu, intensiti rasuk). Walau bagaimanapun, rasuk seperti ini, diperolehi dengan pemasangan yang sangat padat dan agak murah, terdapat banyak aplikasi lain, baik sains dan diterapkan. Ingatlah bahawa kini ada kira-kira 20,000 pemecut di dunia, yang hanya kira-kira seratus sibuk mempelajari fizik mikroworld, dan selebihnya digunakan untuk tujuan bioperubatan, sains bahan, sistem keselamatan, dan lain-lain Oleh itu, apa-apa jenis pemecut zarah padat baru akan berada di sana diambil ke dalam perkhidmatan (lihat, sebagai contoh, berita Permohonan pertama percepatan laser akan menjadi medis).

Sumber:
1) J.S. Liu et al., Pensterilan Wakefield Laser Cascaded All-Optical Menggunakan Suntikan Terapan Ionisasi // Fiz. Wahyu Lett. 107, 035001 (2011).
2) B. B. Pollock et al., Menunjukkan Penyebaran Tenaga Sempang, ~ 0.5 GeV Electron Beam dari Penyokong Wakefield Laser Dua Peringkat // Fiz. Wahyu Lett. 107, 045001 (2011).

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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