Плазма үдеткіші 1 гэв шегінен асып түсті • Алексей Левин • «Элементтер» бойынша ғылым жаңалықтары • Физика

Плазма үдеткіші 1 ГэВ шегінен асып түседі

LOASIS тобының соңғы эксперименттерінен алынған 1 ГэВ энергиясымен жоғары сапалы электрондық кластерлер (www.lbl.gov сайтынан алынған сурет)

Оксфорд университетіндегі ағылшын әріптестерімен бірге Лоренс Беркли Ұлттық зертханасының (Lawrence Berkeley National Laboratory) физиктері электрондардың лазерлі-плазма жылдамдығының тиімділігін айтарлықтай арттырды. Бұл зерттеулер бұл бөлшектерді жоғары вакуумда емес, плазмада жылдамдататын қуатты және бір мезгілде ықшам жоғары энергиялық электронды үдеткіштерді құруды қамтамасыз етеді. Эксперимент нәтижелері қазан айындағы шығарылымда жарияланады. Табиғат физикасы.

Белгілі болғандай, қуатты электрон үдеткіші қатты өлшемдерден ерекшеленеді. Мысалы, электронды энергияны 50 ГэВ (ГВ, 10 ГВ) -ке жеткізетін Stanford Linear Accelerator Center (SLAC, Stanford Linear Acceleration Center) сызықты коллайдер (SLC, SLAC Linear Collider)9 электронды вольт) ұзындығы 3200 метрді құрайды. Және бұл кездейсоқ емес. Радиожиіліктік вакуумдық үдеткіштің өлшемдері бұзылу мүмкіндігінен (SLC жұмыс көрсеткіші әлдеқайда аз – 20 млн. В / м) 100 млн. В / м (метрге дейін) аспайтын жылдамдықты электр өрісінің қарқындылығына байланысты.

Осы себепті ғалымдар бірнеше ондаған жылдар бойы электрондардың жедел кеңістігін бос кеңістікте емес, плазмада талқылау мүмкіндігін талқылады. Бұл жағдайда электрондар плазма зарядтарының тығыздығының тез таралуының бұзылуының «жотасында» қозғалатын жылдамдығын арттырады, ояу (ағыл. wakefield). Толқындарда плазмалық үдеу үрдісте негізінен электр өрісін үш-төрт ретті күшейтуге мүмкіндік береді және сонымен бірге бұзылу қаупін тудырмайды.

Капиллярлық волновод сутегімен толтырылады. Волгавидтің ұштарындағы электродтар арасындағы электр разряды газды қыздырып, оны плазмаға айналдырады. Лазер электромагниттермен басқарылатын және фосфор экранымен бақыланатын электронды сәулені жеделдетеді

Плазмадағы толқындарды ояту лазерлік импульстармен қозғалады. Мұндай импульс электрондарды олардың жолынан шығып, олардың тығыздығына наразылық туғызады. Нәтижесінде, лазерлік импульс заряд тығыздығының толқынын апарып тастайды, сондықтан ол ояту деп аталады. Бұл толқындар кешіктірусіз импульстен кейін таралады, оның фазалық жылдамдығы импульстің топтық жылдамдығымен сәйкес келеді.Егер плазма жеткілікті сирек кездессе, импульстің жылдамдығы жарық жылдамдығынан өте аз ерекшеленеді. Толқынды фазаның жылдамдығы бірдей мәндерге жетеді, бұл электрондарды релятивисттік және тіпті ультрареляционистік энергияға жеделдетуге мүмкіндік береді.

Әлемдегі көптеген зертханаларда плазмалық толқындардағы электрондардың лазерлік үдеткіш мүмкіндіктері зерттеледі. Бұл эксперименттерде тездетілген электрондардың линзалары плазмада (электрондардың әдеттегі радиожиіліктік үдеткіште алдын ала жеделдетілуі мүмкін), ол мезгілде лазерлік импульстармен «өңделеді». Бұл технология әдетте ағылшын LWFA аббревиатурасымен белгіленеді (Laser Wakefield Acceleration – лазерлі ояну өрісі бар үдеткіштер).

Осы уақытқа дейін қол жеткізілген зерттеулердің нәтижелері төмендегідей бағалануы мүмкін: жақсы, бірақ бұл әлдеқайда жақсы болар еді. Плазмада рекордтық қарқындылығы шамамен 100 млрд В / м болатын динамикалық өрістерді құру мүмкін болды, бірақ олар өте тұрақты емес. Мүмкін, негізгі қиындық – ультрарелятивисттік электронды энергияға жету үшін, плазмадағы, мысалы, метрдің тәртібімен, оның үлкен ұзындығы бойынша лазерлік импульстің жоғары қарқындылығын сақтау қажет.Бұл мәселені шешудің ең жақсы әдістерінің бірі – лазерлік импульстардың толқын жолақтарындағыдай таралуы мүмкін плазмалық арналарды құру. Мұндай арналарды алу үшін қарқынды түрде зерттелетін әртүрлі тәсілдер бар.

LOASIS Group. Алдыңғы жақта оң жағында Вим Лиманс (Wim-ті киіммен). Суреттер www.lbl.gov

Вим Лиманстың (Wim Leemans) басқарған Беркли зерттеушілері LOASIS (Лазерлік оптика және үдеткіш жүйелері интеграциялық зерттеулер) тобын атайды. LOASIS бірнеше жыл бұрын сутегі плазмасындағы арналарды электрондарды жылдамдату әдісін әзірледі, олар бұрын жұпты бағытталған лазер сәулелерімен жасалды. Алғашқы сәуле сирек кездесетін сутегі арқылы өтеді және болашақ арнаның таяқшасын «бұрғылау» арқылы өтеді. Сонда екінші пучок жіберіледі, ол қосымша плазманы қыздырады және соңында арнаны құрайды. Осыдан кейін жетекші лазерлік импульс арқылы өтіп, толқындардың пайда болуына себеп болады. Осылайша, әсіресе қуатты лазерлерді қолданудан бас тартпай, айтарлықтай электронды үдеуге қол жеткізуге болады, бұл, әрине, тапсырманы жеңілдетеді.

2004 жылдың күзінде «Лиманс» тобы плазмалық волновидтегі электрондардың 200 МэВ энергиясына (мегаэлектронвольт, 106 электронды вольт) лазерлік импульстерді пайдаланып, тек 9 ТВт қуаттылығы бар (терават, 1012 ватт). Бұл әдістердің уәдесін керемет түрде көрсету болды, өйткені басқа топтар 30 терават лазерімен ұқсас нәтижелерге қол жеткізді.

Жетекші лазер сәулесі сапфирді капиллярлық волновод ішіндегі плазмамен өтеді (фото www.lbl.gov)

Бұл іс одан әрі ілгерілеуге көмектесті. Лиман ұзақ уақыттан бері плазмалық кәріздік проблемаларға қатысқан Оксфорд физик Саймон Хукермен кездесті. Hooker тобы өте сапалы капиллярлармен еніп, сапфир блоктарын шығаратын әдісті жасады. Сутегін осындай капиллярға сорып, оны электр конденсаторын ағызу арқылы иондалған плазмаға айналдыруға болады. Капиллярдың ортасындағы плазма тығыздығы өте аз және оның қабырғаларына жақын артады. Драйвердің лазерлі импульстары орталық аймақтың өте сирек кездесетін плазмадан өтуі мүмкін, іс жүзінде ешқандай жылдамдықтың жоғалуы жоқ, ол электронды үдеткіш үрдісіне эксперимент жүргізу үшін қажет болды.Сонымен қатар, сапфир капиллярлары осы импульстарды тұрақтандыруға үлес қосты, бұл электрондардың жеделдету жүргізілген трассаның ұзындығын ұлғайтуға әкелді.

2004 жылы жүргізілген эксперименттерде лимантар тобы ұзындығы 2 миллиметр болатын электрондардың жылдамдығына қол жеткізді, ал сапфир капиллярларында электрондар сантиметр қашықтықта тұрақты түрде жеделдетілді.

Леманстың және Хукердің топтары күштерді біріктіру туралы шешім қабылдады және бірлескен эксперименттерді бастады, ал қазір олар ояту толқындарын қалыптастыру үшін 40 теротов лазерін қолданды. Оған қоса, олар 1 ГэВ-дан астам қуатқа 33 миллиметрлік капиллярлардағы электрондарды шашыратты. Энергиядағы бөлшектің шашырауы 2,5% -дан аспайтын, монохроматикалық электронды сүлгілерді алуға мүмкіндік болғаны маңызды. Бұл эксперименттің нәтижелері жоғары энергиялы плазманың электронды үдеткіштерінің пайда болуына деген үміт әлдеқайда қатты жерге ие болды.

Кейде лазерлі плазманың жеделдетілу технологиясы уақыт өте келе, үстел үсті қондырғыларында ультрариативті қуатқа электрондарды жеделдетуге мүмкіндік беретінін оқуға тура келеді.Бұл ешқашан болмайды, бірақ үдеткіші SLC-ге қарағанда әлдеқайда күшті болуы мүмкін, әдеттегі көлемдегі ғимараттарда орналастырылады. Біз бұл жаман емес деп келісеміз.

Көздер:
1) Нөлден миллионға дейінгі электрондардың кернеуі 3,3 см (Laser Wakefield жеделдетуден жоғары энергиялар) // Берклидегі Лоренс ұлттық зертханасының баспасөз қызметі, 25.09.2006.
2) W. P. Leemans және т.б. Центиметрлі үдеткіштен GeV электронды сәулелері (суреттер осы жерде көруге болады) // Табиғат физикасы, doi: 10.1038 / nphys418. Алдын ала онлайн жарияланым 24 қыркүйек 2006 ж.

Сондай-ақ, қараңыз:
Chandrashekar Joshi. Плазма үдеткіші // «Ғылым әлемінде» №5, 2006.

Алексей Левин


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

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