Plazma hızlandırıcıları 1 GeV eşiğini aştı • Alexey Levin • "Elementler" ile ilgili Bilim Haberleri • Fizik

Plazma hızlandırıcıları 1 GeV eşiğini aştı

LOASIS grubunun son deneylerinde elde edilen 1 GeV enerjisine sahip yüksek kaliteli elektron kümeleri (www.lbl.gov sitesinden görüntü)

Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'ndan (Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı) Oxford Üniversitesi'ndeki İngiliz meslektaşları ile işbirliği yapan fizikçiler elektronların lazer-plazma ivmelenmesini önemli ölçüde artırdı. Bu çalışmalar, yeni bir jenerasyon güçlü ve aynı zamanda yüksek vakumda değil, bir plazmada bu parçacıkları hızlandıran kompakt yüksek enerjili elektronik hızlandırıcıların yaratılmasını getiriyor. Deneyin sonuçları Ekim sayısında yayınlanacak. Doğa Fiziği.

Bilindiği gibi, güçlü elektron hızlandırıcıları katı boyutlardan daha farklıdır. Örneğin, elektron enerjisini 50 GeV'ye (GV, 10) getiren Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezin (SLAC, Stanford Lineer Hızlanma Merkezi) lineer çarpıştırıcısı (SLC, SLAC Lineer Çarpıştırıcı)9 elektron volt), 3200 metre uzunluğundadır. Ve bu şans eseri değil. Radyo frekanslı vakum hızlandırıcılarının boyutları, arıza olasılığı nedeniyle 100 milyon V / m'yi (metre başına volt) aşmayan hızlanan elektrik alanının yoğunluk limitine bağlıdır (SLC çalışma göstergesi çok daha azdır – 20 milyon V / m).

Bu nedenle, birkaç yıl boyunca bilim adamları boş alanda değil, bir plazmada elektron ivme olasılığını tartışıyorlardı. Bu durumda, elektronlar, plazma yüklerinin yoğunluğu hızla yayılan rahatsızlıkların "sırtında" hareket ederek, hızını artırırlar. uyanıklık dalgalar (İng. wakefield). Uyanık dalgalarda prensipte plazma hızlanması, elektrik alanında üç ila dört sıra büyüklüğünde bir artış sağlar ve aynı zamanda arıza tehlikesi yaratmaz.

Kapiler dalga kılavuzu hidrojen ile doldurulur. Dalga kılavuzunun uçlarındaki elektrotlar arasındaki elektrik deşarjı gazı ısıtır ve onu bir plazmaya dönüştürür. Lazer elektromıknatıs tarafından yönlendirilen ve bir fosfor ekranı kullanılarak izlenen elektron ışını hızlandırır

Plazmada uyandıran dalgalar lazer darbeleriyle uyarılır. Bu tür darbeler, elektronları yollarının dışına çıkarır ve böylece yoğunluklarının bozulmasına neden olur. Sonuç olarak, bir lazer darbesi bir yük yoğunluğu dalgasını sürükliyor gibi görünüyor, bu yüzden bu bir uyandırma denir. Bu dalga, gecikmesiz bir darbeden sonra yayıldığı için, faz hızı, atımın kendisinin grup hızı ile çakışır.Plazmanın yeterince nadir olması durumunda, nabzın hızı, ışık hızından çok az farklıdır. Uyanma dalgası fazı hızı, elektronları göreceli ve hatta ultra-rivivistik enerjilere hızlandırmamızı sağlayan aynı değerlere ulaşır.

Wake plazma dalgalarında elektronların lazer ivmelenmesi olanakları, dünya çapında birçok laboratuarda incelenmiştir. Bu deneylerde plazmaya hızlandırılmış elektron demetleri enjekte edilir (elektronların kendisi geleneksel bir radyo frekansı hızlandırıcısında önceden hızlandırılabilir), ki bunlar aynı anda lazer darbeleriyle "işlenir". Bu teknoloji genellikle İngilizce kısaltması LWFA (Lazer Wakefield İvmesi – lazer uyanma alanına sahip hızlandırıcılar) ile gösterilir.

Şimdiye kadar elde edilen bu çalışmaların sonuçları şu şekilde değerlendirilebilir: iyi, ama çok daha iyi olurdu. Plazmada, yaklaşık 100 milyar V / m'lik rekor yüksek yoğunluklu dinamik alanlar yaratmak zaten mümkün, ancak çok kararlı değillerdi. Belki de asıl zorluk, ultrarelativistik elektron enerjilerinin elde edilmesi için, bir plazmada, bir metrenin büyük bir uzunluğu boyunca, bir ölçüm cihazının yüksek bir yoğunluğunu korumaktır.Bu problemi çözmenin en iyi yollarından biri, dalga kılavuzlarında olduğu gibi, lazer darbelerinin yayılabildiği plazma kanalları yaratmaktır. Bu tür kanalları elde etmek için, şu anda yoğun olarak çalışılan çeşitli yollar vardır.

LOASIS Grubu. Ön tarafta sağda Wim Limans (kıyafeti Wim ile). Fotoğraflar www.lbl.gov

Wim Lymans (Wim Leemans) liderliğindeki Berkeley araştırmacıları gruplarını LOASIS (Lazer Optik ve Hızlandırıcı Sistemleri Entegre Çalışmalar) olarak adlandırıyorlar. Birkaç yıldan beri, LOASIS daha önce bir çift odaklanmış lazer ışını kullanılarak oluşturulan bir hidrojen plazmasındaki kanalların içindeki elektronları hızlandırmak için bir yöntem geliştirmektedir. İlk ışın, nadir bulunan hidrojenden geçer ve gelecekteki kanalın çubuğunu “deliler”. Daha sonra, plazmayı ısıtan ve son olarak bir kanal oluşturan ikinci bir ışın oraya yönlendirilir. Bundan sonra, önde gelen lazer darbesi, içinden geçerek uyanma dalgasını yaratır. Bu şekilde, özellikle güçlü lazerlerin kullanılmasına gerek kalmadan, önemli bir elektron ivme elde etmek mümkündür, ki bu da görevi basitleştirir.

2004 sonbaharında Limans grubu, plazma dalga kılavuzundaki elektronların 200 MeV (megaelektronvolt, 10) enerjisine hızlandırıldığını bildirdi.6 elektron volt) sadece 9 TW'lik bir tepe gücü ile lazer darbeleri kullanarak (terawatt, 10)12 watt). Diğer grupların 30 terawatt lazeri ile benzer sonuçlar elde ettiğinden, yöntemlerinin vaadinin harika bir kanıtıydı.

Önde gelen lazer ışını safir kapiler dalga kılavuzunun içindeki plazmadan geçer (fotoğraf www.lbl.gov'dan)

Dava daha fazla ilerlemeye yardımcı oldu. Leaman uzun zamandır plazma kanalizasyon sorunlarıyla uğraşan Oxford fizikçi Simon Hooker ile tanıştı. Hooker'in grubu, çok ince kılcallarla kaplanmış safir blokları üretmek için bir yöntem geliştirdi. Hidrojeni böyle bir kapillere pompalamak ve bir elektrik kondansatörünün deşarjını kullanarak iyonize bir plazmaya dönüştürmek mümkün olmuştur. Kapiler ortasındaki plazma yoğunluğu çok küçüktü ve duvarlarının yakınında artmıştır. Sürücü lazer palsları, uyandırır elektron hızlandırması üzerindeki deneyler için gerekli olan, neredeyse hiç hız kaybı olmaksızın, merkezi bölgenin oldukça nadir bulunan bir plazmasından geçebilir.Ek olarak, safir kılcal damarlar bu darbelerin stabilizasyonuna katkıda bulunmuşlardır, bu da elektronların hızlanmasının gerçekleştiği yolun uzunluğunda bir artışa yol açmıştır.

2004 deneylerinde, Limans grubu elektronların sadece 2 milimetrelik bir yolda ivme kazanmasını sağlarken, safir kılcal damarların içinde elektronlar sabit bir şekilde santimetre mesafelerinde hızlandırıldı.

Lemans ve Hooker grupları güçlerini birleştirmeye ve ortak deneyler yapmaya karar verdiler ve şimdi wake dalgaları oluşturmak için 40 terawatt lazer kullanmışlar. Bununla birlikte, sadece 1 GeV'nin üzerindeki bir enerjiye 33 milimetre uzunluğunda kılcal damarlarda elektron dağıttılar. En önemlisi, enerjinin parçacık saçılımının% 2.5'i aşmadığı, neredeyse tek renkli elektron demetlerini elde etmeyi başarmış olmalarıdır. Bu deneyin sonuçları, yüksek enerjili plazma elektron hızlandırıcılarının ortaya çıkması için umutların çok daha sağlam bir zemin kazandığını göstermektedir.

Bazen, zamanla lazer-plazma hızlandırma teknolojisinin, elektronları neredeyse masaüstü kurulumlarında ultrareviyativ enerjilere kadar hızlandırabileceğini okumalısınız.Bu asla gerçekleşmez, ancak hızlandırıcıların SLC'den çok daha güçlü olması mümkündür, oldukça sıradan boyuttaki binalara yerleştirilecektir. Bunun kötü olmadığını kabul ediyoruz.

kaynaklar:
1) Sıfırdan bir Milyar Elektron Voltuna 3.3 Santimetre (Lazer Wakefield İvmelenmesinden En Yüksek Enerjiler) // Berkeley'de Lawrence Ulusal Laboratuvarı'nın 25.09.2006 tarihli basın açıklaması.
2) W.P. Leemans ve diğ. GeV elektron santimetre ölçekli bir hızlandırıcıdan ışınlanıyor (resimler buradan görülebilir) // Doğa Fiziği, doi: 10.1038 / nphys418. Çevrimiçi yayın 24 Eylül 2006.

Ayrıca bakınız:
Chandrashekar Joshi. Plazma hızlandırıcıları // “Bilim dünyasında” 5 No. 2006.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Bir cevap yazın

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