Hvor bliver laserenergien af ​​efter at være blevet affyret i plasma?

En enestående gåde om, hvad der sker med laserenergien, efter at stråler er affyret i plasma, er blevet løst i nyligt offentliggjort forskning ved University of Strathclyde.

Undersøgelsen opdagede, at de samme kræfter, der producerer en boble i plasma i laser-plasma wakefield-acceleratoren, frembringer to yderligere lavenergi, men højladede elektronstråler samtidigt med en lavladt højenergistråle. Disse højladede stråler kan have tusind gange mere ladning end højenergistrålen.

Plasma, tilstanden hvori næsten hele universet eksisterer, kan understøtte elektriske felter, der er 1, 000 til 10, 000 gange højere end i konventionelle acceleratorer, simpelthen ved at adskille de positivt og negativt ladede partikler, der udgør plasmamediet, hvilket er kvasi-neutralt.

Dette kan nemt opnås ved hjælp af en intens laserpuls, hvis lette tryk skubber elektroner af vejen, efterlader de meget tungere ioner, som bliver på plads og udøver en tiltrækningskraft på de forskudte elektroner. De forskudte elektroner oscillerer derefter rundt om de stationære ioner, hvilket resulterer i et kølvand bag laserpulsen, på samme måde som kølvandet bag en båd.

Fordi laserimpulsen bevæger sig med en hastighed tæt på lysets hastighed i vakuum, kølvandet kan spore og accelerere ladede partikler hurtigt til meget høje energier, over ekstremt korte længder.

Forskningspapiret, med titlen Tre elektronstråler fra en laserplasma-vågningsaccelerator og spørgsmålet om energifordeling, er udgivet i Videnskabelige rapporter .

Professor Dino Jaroszynski, fra Strathclydes Institut for Fysik, ledet undersøgelsen. Han sagde:"Den intense laserpuls, vi brugte, og accelerationen af ​​det kølvand, det skaber, føre til en meget kompakt laser wakefield accelerator, som er millimeter lang, i stedet for ti meter lang, for en tilsvarende konventionel accelerator. Plasmavågen formes til noget som en bobleformet, laserdrevet miniature Van de Graaf accelerator, som bevæger sig tæt på lysets hastighed.

"Noget af laserenergien omdannes til elektrostatisk energi i plasmaboblen, som har en diameter på flere mikron. Konventionelle acceleratorer lagrer deres mikrobølgeenergi i kobber eller superledende hulrum, som har begrænset kraftbærende evne.

"En interessant gåde, som ikke er blevet overvejet før, er spørgsmålet om, hvor laserenergi går hen efter at være blevet aflejret i plasma. Vi ved, hvor noget af denne energi går hen på grund af tilstedeværelsen af ​​højenergielektroner, der udsendes i en smal, fremadrettet stråle.

"En af disse stråler udsendes af et slyngeskud ind i en bred fremadrettet kegle, med adskillige MeV (mega elektron volt) energier og ladning på nanocoulomb-niveau. Paradoksalt nok, en anden stråle udsendes i baglæns retning, som har lignende ladning, men en energi på omkring 200 keV (kilo elektronvolt). Disse stråler bærer en betydelig mængde energi fra plasmaboblen.

"Det er interessant at observere, at besvarelsen af ​​et meget grundlæggende spørgsmål - hvor bliver laserenergien af? - giver overraskende og paradoksale svar. Ved at introducere en ny teknologi, såsom laser-vågefeltacceleratoren, kan ændre den måde, vi tænker på acceleratorer. Resultatet er en meget ny kilde til flere ladningspartikelstråler, der udsendes samtidigt.

"Min forskergruppe har vist, at wakefield-acceleratoren producerer tre stråler, hvoraf to er lavenergi og høj ladning, og den tredje, høj energi og lav ladning."

Dr Enrico Brunetti, en forskningsstipendiat i Strathclydes Institut for Fysik og medlem af forskningsgruppen, sagde:"Disse stråler kan give en nyttig høj flux af elektroner eller bremsstrahlung fotoner over et stort område, som kan bruges til billedbehandlingsapplikationer, eller til undersøgelse af strålingsskader i materialer. Hvis det ikke dumpes korrekt, de kan, imidlertid, har uønskede bivirkninger, som at forårsage skade på udstyr placeret tæt på speederen.

"Dette er en særlig bekymring for længere acceleratorer, som ofte bruger plasmabølgeledere baseret på kapillærer til at styre laserstrålen over lange afstande. Disse lavenergi, højladede stråler fører også en stor mængde energi væk fra plasmaet, sætte en grænse for effektiviteten af ​​laser-wakefield acceleratorer.

"Dette er et spørgsmål, der skal tages i betragtning i det fremtidige design og konstruktion af laser-vågefeltacceleratorer."