Laser-osocze akceleratory mogą zrewolucjonizować badania naukowe, zapewniając kompaktowe i wydajne przyspieszanie cząstek.
Są postrzegane jako wysoce obiecujące narzędzia badawcze: akceleratory laserowo-plazmowe zajmują mniej miejsca niż konwencjonalne urządzenia, które czasami mają długość kilometrów. Takie kompaktowe źródła cząstek mogą skutecznie przyspieszać wiązki elektronów, umożliwiając powstanie laserów rentgenowskich, które mieszczą się w piwnicy instytutu uniwersyteckiego. Należy jednak sprostać kilku wyzwaniom: aby wytworzyć światło UV lub promieniowanie rentgenowskie, wiązki elektronów generowane przez laserowo-plazmowy akcelerator muszą być bardzo drobno upakowane i mieć określone właściwości. Do tej pory trudno było nawet dokładnie zmierzyć te grona. Teraz zespół z Helmholtz-Zentrum Drezno-Rossendorf (HZDR) opracowali nowatorską metodę pomiaru, która powinna pomóc w rozwoju akceleracji laserowo-plazmowej.
Przyspieszenie laserowo-plazmowe
Podczas przyspieszania laserowo-plazmowego laser strzela intensywnymi impulsami światła w gaz. Impuls jest tak silny, że jonizuje gaz i wytwarza plazmę – mieszaninę elektronów i jonów. Gdy impuls lasera wypycha lżejsze elektrony z drogi szybciej niż cięższe jony, za nim tworzy się elektrycznie naładowana „bańka”. Jeśli do tej bańki wstrzyknie się trochę elektronów, siła pola elektromagnetycznego może dosłownie wyrzucić je do przodu.
Proces ten zajmuje tylko kilka centymetrów, ale może przyspieszyć elektrony skupione w wiązkach tak samo, jak w przypadku konwencjonalnego układu, który mierzy dziesiątki, a nawet setki metrów i wykorzystuje fale radiowe do wprawiania cząstek w ruch.
Postęp w laserach na swobodnych elektronach
Laser na swobodnych elektronach (FEL) jest interesującym zastosowaniem najnowocześniejszych akceleratorów laserowo-plazmowych. Tutaj wiązki elektronów przelatują przez tak zwany undulator z prędkością bliską prędkości światła. Ten układ magnesów wpycha cząsteczki na ścieżki slalomowe, powodując, że emitują silne, laserowe rozbłyski promieniowania rentgenowskiego lub UV, które można wykorzystać do śledzenia niezwykle szybkich procesów, takich jak reakcje chemiczne zachodzące w bilionowych części sekundy.
Postęp i wyzwania w technologii akceleracji plazmowej
Obecnie istnieje kilka takich maszyn badawczych, w tym European XFEL w Hamburgu. Oparte są na konwencjonalnych akceleratorach liniowych, niektóre z nich mają długość kilku kilometrów. Jednak jak dotąd obiekty te są rzadkie i dlatego dostępny czas wiązki jest ograniczony. Gdyby FEL można było zbudować w oparciu o akceleratory laserowo-plazmowe, obiekty można by zbudować tak kompaktowo i oszczędnie, że na przykład mógłby sobie na nie pozwolić instytut uniwersytecki. W ten sposób technologia stałaby się dostępna dla znacznie większej liczby zespołów badawczych niż obecnie.
Początkowe sukcesy już zostały osiągnięte: od 2021 r. trzem grupom badawczym udało się wykazać możliwość wdrożenia FEL w oparciu o akceleratory plazmowe – zespół w Szanghaju w Chinach, grupa we Frascati pod Rzymem oraz zespół współpracujący z fizykiem Dr Arie Irman z Instytutu Fizyki Promieniowania HZDR.
W artykule przeglądowym w czasopiśmie Fotonika Przyrodyosoby zaangażowane podsumowują obecny stan rozwoju i wyszczególniają nierozstrzygnięte pytania badawcze. „Musimy między innymi poprawić jakość i stabilność przyspieszonych wiązek elektronów oraz zminimalizować rozkład energii elektronów w wiązkach” – wyjaśnia Irman, jeden z autorów artykułu. „Ale ważne jest również opracowanie nowych metod diagnostycznych, aby dokładniej zbadać procesy zachodzące w akceleratorze laserowo-plazmowym”.
Innowacje w pomiarze wiązek elektronów
I tu wkracza nowy projekt HZDR: dr Maxwell LaBerge, postdoc w zespole Irmana, opracował procedurę pomiarową, która pozwala naukowcom szczegółowo analizować niezwykle krótkie wiązki elektronów mierzące zaledwie kilka mikrometrów.
LaBerge wyjaśnia tę zasadę: „Wystrzeliwujemy wiązki elektronów, niemal z prędkością światła, z akceleratora plazmy na cienką metalową folię. To wprawia w ruch elektrony na powierzchni folii.” W rezultacie elektrony wysyłają sygnał – przypominający antenę nadawczą – który może zostać wykryty przez czujniki.
„Korzystając z tego sygnału, możemy precyzyjnie zrekonstruować, jak wyglądają wiązki elektronów, które przeszły przez folię” – mówi LaBerge, opisując proces, którego technicznym terminem jest spójne optyczne promieniowanie przejściowe (COTR).
Eksperci z HZDR wykorzystali swoją nową metodę pomiarową do zbadania różnych sposobów wstrzykiwania elektronów do bańki plazmowej.
Arie Irman tak opisuje wynik: „Udało nam się ustalić, że różne metody wstrzykiwania dają zupełnie różne formy wiązek elektronów, co pokazuje, że nowa metoda może pomóc w znacznie dokładniejszym kontrolowaniu formy i struktury wiązek elektronów”. Im lepsza kontrola nad szybkimi wiązkami elektronów, tym jaśniejsze i stabilniejsze światło wytwarzają w FEL.
Referencje:
„Ujawnianie trójwymiarowej struktury wiązek elektronów przyspieszanych za pomocą mikrowiązek w plazmie za pomocą wakefielda” Maxwell LaBerge, Brant Bowers, Yen-Yu Chang, Jurjen Couperus Cabadağ, Alexander Debus, Andrea Hannasch, Richard Pausch, Susanne Schöbel, Jessica Tiebel, Patrick Ufer , Anna Willmann, Omid Zarini, Rafał Zgadzaj, Alex H. Lumpkin, Ulrich Schramm, Arie Irman i MC Downer, 15 lipca 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01475-2
„Perspektywy laserów na swobodnych elektronach zasilanych wiązkami przyspieszanymi przez pole plazmowe” M. Galletti, R. Assmann, ME Couprie, M. Ferrario, L. Giannessi, A. Irman, R. Pompili i W. Wang, 2 sierpnia 2024, Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01474-3
