Atomisk trojansk hest kunne inspirere den nye generation af røntgenlasere og partikelkolliderer

Hvordan udforsker forskere naturen på dets mest fundamentale niveau? De bygger "supermikroskoper", der kan løse atomare og subatomære detaljer. Dette fungerer ikke med synligt lys, men de kan undersøge stofets mindste dimensioner med elektronstråler, enten ved at bruge dem direkte i partikelkolliderer eller ved at omdanne deres energi til lyse røntgenstråler i røntgenlasere. Kernen i sådanne videnskabelige opdagelsesmaskiner er partikelacceleratorer, der først genererer elektroner ved en kilde og derefter øger deres energi i en række acceleratorhulrum.

Nu, et internationalt forskerteam, herunder forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, har demonstreret en potentielt meget lysere elektronkilde baseret på plasma, der kunne bruges i mere kompakte, kraftigere partikelacceleratorer.

Metoden, hvor elektronerne til strålen frigives fra neutrale atomer inde i plasmaet, omtales som den trojanske hesteteknik, fordi den minder om den måde, de gamle grækere siges at have invaderet byen Troja ved at skjule deres kraftige soldater (elektroner) inde i en træhest (plasma), som derefter blev trukket ind i byen (accelerator).

"Vores eksperiment viser for første gang, at den trojanske hestemetode rent faktisk virker, "siger Bernhard Hidding fra University of Strathclyde i Glasgow, Skotland, hovedforsker for en undersøgelse, der blev offentliggjort i dag i Naturfysik . "Det er en af ​​de mest lovende metoder til fremtidige elektronkilder og kan skubbe grænserne for nutidens teknologi."

Udskiftning af metal med plasma

I nuværende state-of-the-art acceleratorer, elektroner genereres ved at skinne laserlys på en metallisk fotokatode, som sparker elektroner ud af metallet. Disse elektroner accelereres derefter inde i metalhulrum, hvor de henter mere og mere energi fra et radiofrekvensfelt, hvilket resulterer i en elektron med høj energi. I røntgenlasere, såsom SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS), strålen driver produktionen af ​​ekstremt skarpt røntgenlys.

Men metalhulrum kan kun understøtte en begrænset energitilvækst over en given afstand, eller accelerationsgradient, inden nedbrud, og derfor bliver acceleratorer til højenergibjælker meget store og dyre. I de seneste år, forskere på SLAC og andre steder har undersøgt måder at gøre acceleratorer mere kompakte. De demonstrerede, for eksempel, at de kan erstatte metalhulrum med plasma, der tillader meget højere accelerationsgradienter, potentielt krymper længden af ​​fremtidige acceleratorer 100 til 1, 000 gange.

Det nye papir udvider plasmakonceptet til elektronkilden til en accelerator.

"Vi har tidligere vist, at plasmacceleration kan være ekstremt kraftfuld og effektiv, men vi har endnu ikke været i stand til at producere bjælker med høj nok kvalitet til fremtidige applikationer, "siger medforfatter Mark Hogan fra SLAC." Forbedring af strålekvalitet er en topprioritet i de næste år, og udvikling af nye typer elektronkilder er en vigtig del af det. "

Ifølge tidligere beregninger af Hidding og kolleger, den trojanske hestteknik kunne lave elektronstråler 100 til 10, 000 gange lysere end nutidens mest kraftfulde bjælker. Lysere elektronstråler ville også gøre fremtidige røntgenlasere lysere og yderligere forbedre deres videnskabelige kapacitet.

"Hvis vi er i stand til at gifte os med de to store tryk-høje accelerationsgradienter i plasma og stråledannelse i plasma-kunne vi være i stand til at bygge røntgenlasere, der udfolder den samme effekt over en afstand på et par meter frem for kilometer, "siger medforfatter James Rosenzweig, hovedforsker for det trojanske hesteprojekt ved University of California, Los Angeles.

Producerer overlegne elektronstråler

Forskerne udførte deres eksperiment på SLAC's Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET). Anlægget, som i øjeblikket gennemgår en større opgradering, genererer pulser af meget energiske elektroner til forskning i næste generations acceleratorteknologier, herunder plasmaacceleration.

Først, holdet blinkede laserlys ind i en blanding af hydrogen og heliumgas. Lyset havde lige nok energi til at fjerne elektroner fra brint, omdanne neutralt brint til plasma. Det var ikke energisk nok til at gøre det samme med helium, selvom, hvis elektroner er tættere bundet end for hydrogen, så den forblev neutral inde i plasmaet.

Derefter, forskerne sendte en af ​​FACETs elektronbundter gennem plasmaet, hvor det frembragte en plasma -vågne, meget som en motorbåd skaber et vækkeur, når den glider gennem vandet. Efterfølgende elektroner kan "surfe" i kølvandet og få enorme mængder energi.

Mere F &U -arbejde venter

Men før applikationer som kompakte røntgenlasere kunne blive en realitet, meget mere forskning skal foretages.

Næste, forskerne ønsker at forbedre kvaliteten og stabiliteten af ​​deres stråle og arbejde på bedre diagnostik, der giver dem mulighed for at måle den faktiske stråle lysstyrke, i stedet for at estimere det.

Disse udviklinger vil blive foretaget, når FACET -opgraderingen, FACET-II, er afsluttet. "Eksperimentet er afhængigt af evnen til at bruge en stærk elektronstråle til at producere plasmavågnen, "siger Vitaly Yakimenko, direktør for SLAC's FACET Division. "FACET-II vil være det eneste sted i verden, der vil producere sådanne bjælker med høj nok intensitet og energi."

I dette studie, de efterfølgende elektroner kom inde fra plasmaet (se animation ovenfor og film nedenfor). Lige da elektronbunken og dens kølvandet gik forbi, forskerne zappede helium i plasmaet med et sekund, tæt fokuseret laserblitz. Denne gang havde lyspulsen energi nok til at sparke elektroner ud af heliumatomerne, og elektronerne blev derefter accelereret i kølvandet.

Synkroniseringen mellem elektronbunken, skynder sig gennem plasmaet med næsten lysets hastighed, og laserblitzen, varer kun et par milliontedele af en milliarddel af et sekund, var særlig vigtig og udfordrende, siger UCLAs Aihua Deng, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere:"Hvis flashen kommer for tidligt, de elektroner, den producerer, vil forstyrre dannelsen af ​​plasmavælgen. Hvis det kommer for sent, plasmakølingen er gået videre, og elektronerne vil ikke blive accelereret. "

Forskerne vurderer, at lysstyrken af ​​elektronstrålen opnået med den trojanske hestemetode allerede kan konkurrere med lysstyrken i eksisterende state-of-the-art elektronkilder.

"Det, der gør vores teknik transformerende, er den måde, elektronerne produceres på, "siger Oliver Karger, den anden hovedforfatter, der var på universitetet i Hamburg, Tyskland, på tidspunktet for undersøgelsen. Når elektronerne fjernes fra helium, de bliver hurtigt accelereret i fremadgående retning, som holder strålen snævert bundtet og er en forudsætning for lysere bjælker.