Máy gia tốc plasma vượt qua ngưỡng 1 GeV • Alexey Levin • Tin tức khoa học về "Yếu tố" • Vật lý

Máy gia tốc Plasma vượt ngưỡng 1 GeV

Cụm electron chất lượng cao với năng lượng 1 GeV, thu được trong các thí nghiệm gần đây của nhóm LOASIS (hình ảnh từ trang web www.lbl.gov)

Các nhà vật lý từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley) phối hợp với các đồng nghiệp Anh tại Đại học Oxford đã tăng đáng kể hiệu quả của gia tốc laser-plasma của electron. Những nghiên cứu này mang đến việc tạo ra một thế hệ mới mạnh mẽ và đồng thời các máy gia tốc điện tử năng lượng cao nhỏ gọn, giúp tăng tốc các hạt này không ở chân không cao, nhưng trong một plasma. Kết quả của thử nghiệm sẽ được xuất bản trong số tháng 10. Vật lý thiên nhiên.

Như đã biết, các máy gia tốc electron mạnh mẽ khác với nhiều hơn các kích thước rắn. Ví dụ, máy va chạm tuyến tính (SLC, SLAC Linear Collider) của Trung tâm gia tốc tuyến tính Stanford (SLAC, Trung tâm gia tốc tuyến tính Stanford), mang năng lượng điện tử tới 50 GeV (GV, 109 electron volt), có chiều dài 3200 mét. Và đây không phải là tình cờ. Kích thước của máy gia tốc chân không vô tuyến phụ thuộc vào giới hạn cường độ của trường điện gia tốc, không vượt quá 100 triệu V / m (vôn trên mét) do khả năng hỏng hóc (chỉ số hoạt động SLC ít hơn nhiều – 20 triệu V / m).

Vì lý do này, trong một vài thập kỷ các nhà khoa học đã thảo luận về khả năng tăng tốc điện tử không phải trong không gian trống rỗng, nhưng trong huyết tương. Trong trường hợp này, các electron tăng tốc độ, di chuyển "trên sườn núi" của các rối loạn lan truyền nhanh chóng của mật độ của các chi phí plasma, cái gọi là đánh thức (eng. wakefield). Tăng tốc plasma trong sóng thức, về nguyên tắc, cho phép sự gia tăng trong điện trường bởi 3-4 đơn đặt hàng của cường độ và đồng thời không tạo ra một nguy cơ sự cố.

Ống dẫn sóng mao quản chứa đầy hydro. Sự phóng điện giữa các điện cực ở đầu ống dẫn nhiệt làm nóng khí, biến nó thành plasma. Tia laser tăng tốc chùm electron, được hướng dẫn bởi nam châm điện và được giám sát bằng màn hình phosphor

Sóng đánh thức trong plasma được kích thích bởi các xung laser. Các xung như vậy đẩy các electron ra khỏi đường đi của chúng theo nghĩa đen và do đó gây ra nhiễu loạn về mật độ của chúng. Kết quả là, một xung laser dường như đang kéo một sóng mật độ điện tích, đó là lý do tại sao nó được gọi là thức tỉnh. Vì sóng này lan truyền sau một xung không có độ trễ, vận tốc pha của nó trùng với vận tốc nhóm của bản thân xung.Nếu huyết tương là đủ hiếm, tốc độ của xung là rất ít khác nhau từ tốc độ của ánh sáng. Vận tốc pha của sóng thức đạt đến cùng giá trị, cho phép chúng ta tăng tốc các electron đối với năng lượng tương đối và thậm chí siêu năng lượng.

Khả năng tăng tốc laser của các electron trong sóng plasma thức tỉnh được nghiên cứu ở nhiều phòng thí nghiệm trên toàn thế giới. Trong những thí nghiệm này, các chùm electron tăng tốc được tiêm vào trong huyết tương (bản thân các electron có thể được tăng tốc trước trong một máy gia tốc tần số vô tuyến thông thường), đồng thời được "xử lý" bởi các xung laser. Công nghệ này thường được biểu thị bằng chữ viết tắt tiếng Anh LWFA (Laser Wakefield Acceleration – máy gia tốc với trường đánh thức bằng laser).

Kết quả của những nghiên cứu này cho đến nay có thể được đánh giá như sau: tốt, nhưng nó sẽ tốt hơn nhiều. Trong huyết tương, nó đã có thể tạo ra các lĩnh vực năng động với cường độ kỷ lục cao khoảng 100 tỷ V / m, tuy nhiên, chúng không phải là rất ổn định. Có lẽ khó khăn chính là để đạt được năng lượng electron siêu năng động, cần phải duy trì cường độ cao của xung laser trên một chiều dài đường đi của nó trong một plasma, theo thứ tự của một mét.Một trong những cách tốt nhất để giải quyết vấn đề này là tạo ra các kênh plasma thông qua đó các xung laser có thể lan truyền, như trong các ống dẫn sóng. Để có được các kênh như vậy, có nhiều cách khác nhau đang được nghiên cứu chuyên sâu.

LOASIS Group. Ở bên phải trong nền trước là Wim Limans (với Wim trên áo choàng). Ảnh từ www.lbl.gov

Các nhà nghiên cứu Berkeley do Wim Lymans (Wim Leemans) dẫn đầu gọi nhóm LOASIS của họ (Nghiên cứu Tích hợp Laser và Hệ thống Gia tốc). Trong nhiều năm nay, LOASIS đã phát triển một phương pháp để tăng tốc các electron bên trong các kênh trong một plasma hydro, mà trước đây được tạo ra bằng cách sử dụng một chùm tia laser tập trung. Tia đầu tiên đi qua hydro hiếm và "khoan" thanh của kênh tương lai. Sau đó, một chùm tia thứ hai hướng vào đó, làm nóng thêm plasma và cuối cùng tạo thành một kênh. Sau đó, xung laser hàng đầu được truyền qua nó, tạo ra sóng đánh thức. Bằng cách này, có thể đạt được khả năng tăng tốc electron đáng kể mà không cần sử dụng các laser đặc biệt mạnh, tất nhiên, đơn giản hóa nhiệm vụ.

Vào mùa thu năm 2004, nhóm Limans báo cáo về sự gia tốc của các electron trong một ống dẫn sóng plasma với năng lượng là 200 MeV (megaelectronvolt, 106 electron volt) sử dụng các xung laser với công suất cực đại chỉ 9 TW (terawatt, 1012 watt). Đó là một minh chứng tuyệt vời về lời hứa của phương pháp của họ, vì các nhóm khác thu được kết quả tương tự với 30 laser terawatt.

Tia laser hàng đầu đi qua plasma bên trong ống dẫn sóng mao quản sapphire (ảnh từ www.lbl.gov)

Vụ án đã giúp tiến bộ hơn nữa. Leaman gặp nhà vật lý Oxford Simon Hooker, người từ lâu đã tham gia vào các vấn đề về nước thải plasma. Nhóm của Hooker đã phát triển một phương pháp sản xuất các khối sapphire, thấm qua các mao mạch rất mỏng. Có thể bơm hydro vào một mao mạch như vậy và chuyển đổi nó thành một plasma được ion hóa bằng cách sử dụng sự phóng điện của một tụ điện. Mật độ huyết tương ở trung tâm mao mạch rất nhỏ và tăng gần các bức tường. Các xung laser điều khiển có thể đi qua một plasma rất hiếm của vùng trung tâm với thực tế không mất tốc độ, được yêu cầu cho các thí nghiệm về tăng tốc electron lặp lại.Ngoài ra, các mao mạch sapphire góp phần vào sự ổn định của các xung này, dẫn đến sự gia tăng chiều dài của đường đi mà sự gia tốc của các electron đã diễn ra.

Trong các thí nghiệm năm 2004, nhóm Limans đạt được sự gia tốc của các electron trên một con đường dài 2 mm, trong khi bên trong các mao mạch sapphire các electron được gia tốc đều đặn ở khoảng cách cm.

Các nhóm Lemans và Hooker quyết định tham gia lực lượng và bắt đầu thí nghiệm chung, và bây giờ họ đã sử dụng một tia laser 40 terawatt để tạo ra sóng đánh thức. Với nó, họ phân tán các electron trong các mao mạch với chiều dài 33 mm đến một năng lượng chỉ hơn 1 GeV. Không kém phần quan trọng là thực tế là họ quản lý để thu được hầu hết các chùm electron đơn sắc, trong đó phân tán hạt trong năng lượng không vượt quá 2,5%. Kết quả của thí nghiệm này có nghĩa là hy vọng cho sự xuất hiện của các máy gia tốc electron plasma năng lượng cao đã đạt được nền tảng vững chắc hơn nhiều.

Đôi khi bạn phải đọc rằng công nghệ tăng tốc laser-plasma với thời gian sẽ cho phép bạn tăng tốc các electron thành năng lượng siêu năng gần như trên các cài đặt máy tính để bàn.Điều này có khả năng không bao giờ xảy ra, nhưng có thể là các máy gia tốc mạnh hơn nhiều so với SLC, sẽ được đặt trong các tòa nhà có kích thước khá bình thường. Chúng tôi đồng ý rằng điều này không phải là xấu.

Nguồn:
1) Từ Zero đến một tỷ điện tử Volts trong 3,3 Centimet (Năng lượng cao nhất từ ​​Laser Wakefield Acceleration) // Thông cáo báo chí của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence ở Berkeley, 25.09.2006.
2) W. P. Leemans et al. Các chùm electron GeV từ một máy gia tốc quy mô centimet (các hình minh họa có thể được xem tại đây) // Vật lý thiên nhiên, doi: 10.1038 / nphys418. Cập nhật trực tuyến trước ngày 24 tháng 9 năm 2006.

Xem thêm:
Chandrashekar Joshi. Máy gia tốc plasma // “Trong thế giới khoa học” số 5, 2006.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

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