Prezentarea unui nou tip de accelerator de particule

Reprezentarea numerică a accelerației acționate cu laser (partea stângă) și a unei accelerații ulterioare acționate de electroni (partea dreaptă), formând împreună acceleratorul de plasmă hibrid. Credite: Alberto Martinez de la Ossa, Thomas Heinemann

Electronii care montează o undă dublă

Deoarece sunt mult mai compacte decât acceleratoarele actuale, care pot avea o lungime de kilometri, plasmă acceleratoarele sunt considerate o tehnologie promițătoare pentru viitor. Un grup internațional de cercetare a făcut progrese semnificative în dezvoltarea acestei abordări: cu două experimente complementare Centrul Helmholtz Dresda-Rossendorf (HZDR) și la Ludwig-Maximilians-Universität Munich (LMU), echipa a reușit să combine pentru prima dată două tehnologii diferite de plasmă și să construiască un nou accelerator hibrid. Conceptul ar putea avansa dezvoltarea acceleratorului și, pe termen lung, ar putea deveni baza pentru surse de raze X foarte luminoase pentru cercetare și medicină, așa cum este descris în jurnal. Comunicări despre natură.

În acceleratoarele de particule convenționale, undele radio puternice sunt ghidate către tuburi metalice special formate numite rezonatoare. Particulele care trebuie accelerate, care sunt adesea electroni, pot conduce aceste unde radio ca surferii într-un val oceanic. Dar potențialul tehnologiei este limitat: alimentarea cu prea multă energie din undele radio către rezonatoare creează un risc de încărcări electrice care pot deteriora componenta. Aceasta înseamnă că, pentru a aduce particulele la niveluri ridicate de energie, mulți rezonatori trebuie conectați în serie, ceea ce face ca acceleratorii curenți, în multe cazuri, să aibă o lungime de mile.

Accelerator 200 MeV

Accelerator 200 MeV. Credit: Arie Irman

De aceea, experții lucrează cu nerăbdare la o alternativă: accelerarea plasmei. În principiu, laserele scurte, extrem de puternice, lansează focul asupra plasmei, o stare ionizată a materiei constând din electroni încărcați negativ și nuclee atomice încărcate pozitiv. În această plasmă, pulsul laser generează un câmp electric alternativ puternic, similar cu pupa unei nave, care poate accelera foarte mult electronii la o distanță foarte mică. În teorie, acest lucru înseamnă că pot fi construite facilități mult mai compacte, reducând un accelerator care astăzi are o sută de metri lungime la câțiva metri. „Această miniaturizare este ceea ce face conceptul atât de atractiv”, explică Arie Irman, cercetător la Institutul HZDR de Fizică a Radiațiilor. „Și sperăm că chiar și laboratoarele universitare mici își pot permite un accelerator puternic în viitor”.

Dar există încă o altă variantă a accelerației plasmei în care plasma este condusă de fascicule de electroni la o viteză apropiată de lumină în loc de blițuri puternice cu laser. Această metodă oferă două avantaje față de accelerația plasmei acționată cu laser: „În principiu, ar trebui să fie posibilă realizarea unor energii mai mari a particulelor, iar fasciculele de electroni accelerate ar trebui să fie mai ușor de controlat”, explică fizicianul HZDR și autorul principal Thomas Kurz. “Dezavantajul este că în prezent avem acceleratoare convenționale mari pentru a produce grupurile de electroni necesari pentru a conduce plasma.” FLASH a DESY în Hamburg, de exemplu, unde au loc aceste experimente, măsoară aproximativ o sută de metri.

Combinație de energie ridicată

Iată tocmai noul proiect. „Ne-am întrebat dacă putem construi un accelerator mult mai compact pentru a conduce unda de plasmă”, spune Thomas Heinemann de la Universitatea Strathclyde din Scoția, care este și autorul principal al studiului. “Ideea noastră a fost să înlocuim această instalație convențională cu un accelerator de plasmă alimentat cu laser.” Pentru a testa conceptul, echipa a proiectat o configurație experimentală sofisticată în care lumina intermitentă de la instalația laser HZDR DRACO a afectat un fascicul de heliu și azot gazos, generând un fascicul de electroni rapid, grupat, printr-o undă de plasmă. Acest fascicul de electroni trece printr-o folie metalică către următorul segment, cu folia reflectând fulgerul de la laser.

În acest segment următor, fasciculul de electroni de intrare întâlnește un alt gaz, de data aceasta un amestec de hidrogen și heliu, în care poate genera o nouă a doua undă de plasmă, configurând alți electroni în modul turbo într-o perioadă de timp. ”Câțiva milimetri. . trage un fascicul de particule de mare energie. „În acest proces, preionizăm plasma cu un impuls laser mai slab”, explică Heinemann. “Acest lucru face ca accelerarea plasmei cu fasciculul șoferului să fie mult mai eficientă.”

Aprindere turbo: aproape la viteza luminii în doar un milimetru

Rezultatul: „Acceleratorul nostru hibrid măsoară mai puțin de un centimetru”, explică Kurz. “Secțiunea acceleratorului acționat cu fascicul folosește doar un milimetru pentru a aduce electronii aproape la viteza luminii.” Simulările de proces realiste arată un gradient remarcabil al tensiunii de accelerație a procesului, care corespunde unei creșteri de peste o mie de ori comparativ cu un accelerator convențional. Pentru a sublinia importanța descoperirilor lor, cercetătorii au implementat acest concept într-un mod similar cu laserul ATLAS de la LMU din München. Cu toate acestea, experții au încă multe provocări de depășit înainte ca această nouă tehnologie să poată fi utilizată pentru aplicații.

În orice caz, experții iau deja în considerare posibile domenii de aplicare: „Grupurile de cercetare care în prezent nu au un accelerator de particule adecvat ar putea folosi și dezvolta această tehnologie”, așteaptă Arie Irman. „Și în al doilea rând, acceleratorul nostru hibrid ar putea sta la baza a ceea ce se numește laser cu electroni liberi”. Aceste FEL sunt considerate surse de radiații de înaltă calitate, în special raze X, pentru analiza ultra-precisă a nanomaterialelor, biomoleculelor sau probelor geologice. Până acum, aceste lasere cu raze X necesitau acceleratoare convenționale lungi și costisitoare. Noua tehnologie cu plasmă le poate face mult mai compacte și mai rentabile și poate, de asemenea, la prețuri accesibile pentru un laborator obișnuit de facultate.

Referință: „Demonstrarea unui accelerator de plasmă compact alimentat cu fascicule de electroni accelerate cu laser” de T. Kurz, T. Heinemann, MF Gilljohann, YY Chang, JP Couperus Cabadağ, A. Debus, O. Kononenko, R. Pausch, S. Schöbel, RW Assmann, M. Bussmann, H. Ding, J. Götzfried, A. Köhler, G. Raj, S. Schindler, K. Steiniger, O. Zarini, S. Corde, A. Döpp, B Hidding, S Karsch , U. Schramm, A. Martinez de la Ossa și A. Irman, 17 mai 2021, Comunicări despre natură.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23000-7

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.