Profilering af ekstreme stråler:Forskere udtænker ny diagnostik til banebrydende og næste generations partikelacceleratorer

Verdens banebrydende partikelacceleratorer skubber yderpunkterne i bjælker med høj lysstyrke og ultrakorte pulser for at udforske stof på nye måder.

For at optimere deres ydeevne-og forberede sig på næste generations faciliteter, der vil presse disse ekstremer yderligere-har forskere udtænkt et nyt værktøj, der kan måle, hvor lyse disse bjælker er, selv for pulser, der kun varer femtosekunder (quadrillionths af et sekund) eller attoseconds (quintillionths of a second). At sammenligne 1 attosekund med 1 sekund er som at sammenligne 1 sekund til 31,7 milliarder år.

Dette værktøj kan også måle strålestørrelser inden for få titalls nanometer (milliarder af en meter) - uden at forstyrre eksperimenter, der er afhængige af disse bjælker.

Det nye værktøj, kaldet en "ladningstæthedsmonitor, "kunne også levere mere præcise mål for grundlæggende fysik i stråleeksperimenter med høj energi og højfelt, og hjælpe med at guide F &U -bestræbelser, der søger at reducere størrelsen og omkostningerne ved partikelkolliderer og acceleratorfaciliteter, samtidig med at de øger deres kapacitet.

Forskningen ved hjælp af denne foreslåede diagnostik kan også påvirke discipliner lige fra plasmavidenskab til atomfysik, og kunne føre til nye applikationer og afsløre ny fysik.

På U.S. Department of Energy's Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, forskere håber at teste dette værktøj ved at måle partikelegenskaber i kølvandet på en intens laserstråle, der borer gennem en gasstråle. Derved, de håber at lære om elektronstrålepulsen, der stammer fra denne interaktion.

"BELLA giver et ideelt testleje til evaluering af strålemålingens potentiale ved en state-of-the-art avanceret accelerator, da vi sigter mod at producere de lysest mulige ultrakorte udbrud af elektroner med vores kompakte acceleratorteknologi, "sagde Wim Leemans, direktør for BELLA Center og Accelerator Technology &Applied Physics Division ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

"Det ville give et kraftfuldt værktøj til måling og forbedring af BELLAs bjælker."

Leemans ledede Berkeley Lab -teamet af bidragydere som en del af et internationalt team i en teknisk undersøgelse med detaljer om den nye metode, offentliggjort i tidsskriftet 10. maj Fysisk gennemgang X .

Roxana Tarkeshian, en forsker ved University of Bern og tidligere ved Paul Scherrer Institute, tjente som hovedforfatter af undersøgelsen og har forfulgt den nye diagnostiske metode siden 2015, med støtte fra Thomas Feurer, en professor ved universitetet i Bern og en ekspert i laserbaseret teknologi og rumfysik.

"Dens ultrafølsomme målinger ved høj opløsning, og dens lave omkostninger og kompakthed er blandt dets aktiver, "Sagde Tarkeshian.

Undersøgelsen beskriver, hvordan intense partikelstråler kan tønde gennem en neutral gas med lav densitet, fjernelse af elektroner fra gasatomer gennem de stærke elektriske felter, der er forbundet med intense partikelstråler. En ioniseret (ladet) sky af stof kendt som et plasma - indeholdende ioner og elektroner - dannes i processen.

Teknikkens "hidtil usete" opløsning for varigheden og størrelsen af ​​individuelle impulser for både elektronstråler og positronstråler vedrører en effekt, hvor små ændringer i strålens lysstyrke på kun få procent til titusinder af procent kan resultere i titusindvis til hundredvis af gange mere ioner genereret i nærvær af et elektrisk felt, Tarkeshian bemærkede.

Processen ligner det, der sker, når en meget intens, fokuseret laserstråle eller røntgenpuls interagerer med en gas og ioniserer atomerne. Men der er vigtige forskelle i fysikken i denne ioniseringsproces for lysstråler (fotoner) kontra andre typer partikelstråler.

Med lysstråler, elektroner og ioner (ladede partikler) dannes i hele strålens fodaftryk, og de plasma-associerede elektroner har en relativt lav hastighed og har en tendens til at hænge rundt om ionsøjlen, indtil de trækkes væk af et eksternt elektrisk felt. Ioner med positive ladninger driver derefter i den modsatte retning og kan måles.

For elektron (negativt ladet) eller positron (positivt ladet) partikelstråler, formen på det elektriske felt ligner en doughnut og frembringer en ringformet plasmasøjle, uden ioner i første omgang tilbage i strålebanen - hulen i doughnut. Disse partikelstråler kan levere et kraftigt spark til elektroner, som kan efterlade en ringformet søjle af ioner bagved. Og disse ioner kan ledes væk af et elektrisk felt til en detektor, der måler antallet af ioner, deres hastighed, og deres ladede tilstand.

Den seneste undersøgelse viser, at det nye måleværktøj også kan hente flere oplysninger om selve strålen fra denne "ion -doughnut" under de rigtige driftsbetingelser - med den rigtige densitet og blanding af gasser, for eksempel.

Teamet udførte sofistikerede simuleringer ved hjælp af en Berkeley Lab-raffineret computerkode kendt som WARP og en anden kode kendt som VSim. Forskere modellerede interaktionen mellem partikel- og fotonstråler med gasser og den efterfølgende plasma-relaterede dynamik.

"Simuleringerne tillod os at zoome ind i rum og tid - fra centimeters skala ned til submikronstørrelsen af ​​strålen, og følge dynamikken og fordelingen af ​​elektroner og ioner på forskellige tidsskalaer, "sagde Jean-Luc Vay, en seniorforsker ved Berkeley Lab, der bidrog til WARP -koden og leder Accelerator Modeling Program i Labs ATAP Division.

Vay bemærkede, at aspekter af koden viste sig at være nøglen til den nøjagtige modellering og forståelse af forskelle mellem virkningerne af partikelstråler versus fotonstråler, og ved at finde den bedste måde at justere og betjene systemet på.

Når det fulde diagnosesystem er implementeret på acceleratorsystemer, simuleringer vil hjælpe med at realitetstjekke de faktiske målinger i eksperimenter og hjælpe med at udvikle en vej til optimering af stråleydelse.

"Små ændringer kunne løses meget præcist, " hun sagde, baseret på målinger af individuelle stråleimpulser.

Den foreslåede teknik åbner også mulighed for at studere ladningsinduceret dynamik i stof, og kan give mere indsigt i tidsskalaer for fundamentale atom- eller molekylære processer, der undersøges med attosekundfotonpulser, hun sagde, herunder en egenskab kendt som kvantetunnel, hvor en partikel spontant kan "tunnelere" gennem atomets potentielle barriere i modstrid med klassisk fysik.

Og Tarkeshian påpeger, at den foreslåede diagnostik kan vise sig nyttig for eksisterende røntgenfri-elektronlasere (XFEL'er) såsom Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenfel på SLAC National Accelerator Laboratory, FLASH -anlægget på DESY i Tyskland, SwissFEL ved Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz, blandt andre, og faciliteter under opførelse som LCLS-II på SLAC.

For eksempel, en prototype er blevet installeret på LCLS med støtte og bidrag fra SLAC -videnskabsmand Patrick Krejcik og et team på PSI til at diagnosticere ultrashort, elektroner med høj energi produceret af acceleratoren.

Tarkeshian bemærkede, at andre værktøjer er blevet udviklet til at levere målinger af accelerator- og XFEL -stråleegenskaber, men da strålernes pulser pakker mere og mere intensitet og energi ind i kortere og kortere impulser, nye værktøjer vil være nødvendige for at holde trit med disse ekstreme bjælker.

Hun krediterede nogle årtiers gammelt arbejde med en foreslået diagnostik til et testacceleratorprojekt på SLAC kendt som Final Focus Test Beam, eller FFTB, i at bane vejen for dette nye designkoncept.

"I vores seneste arbejde, vi har undersøgt ikke kun begreberne, men har også taget fat på de udfordringer, som denne teknik eksperimentelt kan møde, "Sagde Tarkeshian.

"Det er fantastisk at genoplive dette ufærdige koncept fra årtier siden med nye ideer, og med fortsat støtte kan vi realisere dets potentiale, "tilføjede hun." Dette er en meget åben vej, og vi er lige begyndt. "

Leemans sagde, "Vi tror, ​​at den praktiske realisering af denne innovative teknik i sidste ende vil være af bred interesse for den internationale højenergifysik og de generelle acceleratordrevne videnskabssamfund."