En ny måde at måle rekordsættende elektronstråler på

Fysikere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) er ved at finde ud af nye måder at accelerere elektroner til rekordhøje energier over rekordkorte afstande med en teknik, der bruger laserimpulser og eksotisk stof kendt som plasma. Men det har vist sig at være udfordrende at måle egenskaberne af de højenergielektronstråler produceret i laser-plasma accelerationseksperimenter. da højintensitetslaseren skal omdirigeres uden at forstyrre elektronstrålen.

Nu, en ny, kompakt system er blevet demonstreret med succes på Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center for at give samtidige højopløsningsmålinger af flere elektronstråleegenskaber.

Det nye system bruger ultratynde flydende krystalfilm, udviklet af prof. Douglass Schumacher og hans team ved Ohio State University, at omdirigere laseren, mens elektronstrålen kan passere igennem, stort set upåvirket. Laseren danner et plasma, der reflekterer hovedparten af ​​dets laserlys.

Mens hver laserimpuls ødelægger den flydende krystalfilm, ligner en boblemaskine, den flydende krystalfilm fyldes op af en roterende skive og en visker efter hvert laserskud. Filmene dannet af denne enhed er kun titusinder af nanometer (milliarddele af meter) i tykkelse, omkring en faktor 1, 000 tyndere end dem i andre genopfyldelige plasmaspejlsystemer, der bruger VHS-kassettebånd, for eksempel. Denne reduktion i tykkelse tjener til at bevare elektronstrålens egenskaber.

Afbøjningen af ​​laserlys væk fra elektronstrålen er afgørende for at producere en præcis diagnostik af elektronstrålen, bemærkede Jeroen van Tilborg, en BELLA Center-medarbejder, og det er også afgørende for flertrins laser-plasma accelerationseksperimenter, hvor laserimpulserne genopfriskes på hvert trin for at give et yderligere "kick" af acceleration for elektronstrålen, indtil den når sin nødvendige acceleration.

Flydende-krystal plasmaspejlet (LCPM) muliggør også brugen af ​​en gasfyldt, 6-centimeter lang stærk fokuseringsenhed til elektronstrålen, kendt som en aktiv plasmalinse.

Denne linse giver et kompakt alternativ til et stort diagnostisk værktøj kaldet en magnetisk spektrometer-enhed, som har voluminøse magneter, der vejer mere end et ton og er koblet til en stor strømforsyning.

"Vi var i stand til at erstatte dette med dipole (to-polede) magneter på størrelse med en sandwich, " sagde Sam Barber, en forsker ved BELLA Center i Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) division. "Laserplasmaacceleratorer kan producere højenergielektroner i kompakte fodspor, men der er stadig meget, der kan gøres for at formindske nogle af komponenterne, inklusive elektronstrålediagnostik."

Han tilføjede, "Dette er en enorm reduktion af skalaen. Vi kombinerer en petawatt (højeffekt) laser med ultratynde LCPM'er og aktive plasmalinser - alle nye teknologier, der for nylig er blevet udviklet. Vi kombinerede dem alle tre, og vi fik en flot resultat. Vi tager store skridt fremad. Der er en hel række nye applikationer, som dette kunne bruges til."

Barber var hovedforfatter af en undersøgelse, der beskriver ydeevnen og opsætningen af ​​det nye diagnostiske værktøj, offentliggjort i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver . Andre forskere fra BELLA Center deltog i undersøgelsen, også, sammen med forskere fra UC Berkeley og Ohio State University. De nuværende fremskridt blev understøttet af LaserNetUS, det nyligt dannede netværk af højeffekt laserfaciliteter, der er finansieret af DOE Office of Science, Office of Fusion Energy Sciences, og Kontoret for Højenergifysik.

Carl Schrøder, en seniorforsker fra Berkeley Lab, som er vicedirektør for BELLA Center, sagde, at udover dens kompakthed, den nye diagnostiske teknik kan indsamle flere elektronstråleegenskaber på én gang, inklusive den detaljerede energifordeling af elektronstrålen og strålens emittans, på enkeltskudsbasis. Emittans er en kritisk egenskab ved en elektronstråle, der dikterer, hvor tæt strålen kan fokuseres. En lav emittans betyder, at strålen kan fokuseres ned til et meget lille sted, afgørende for de fleste acceleratorapplikationer som kollidere og frielektronlasere.

"Typisk, disse er multishot diagnostik, " han sagde, som gennemsnittet målingerne af flere stråleimpulser, men ikke måler på en puls-for-puls-basis - ligesom den nye teknik.

I den demonstrerede opsætning, en laser fokuseres ind i en gascelle, hvor det skaber og interagerer med et plasma, generere og accelerere en elektronstråle. Efter at have passeret denne celle, den kombinerede laserstråle og elektronstråle ankommer til LCPM, på hvilket tidspunkt laseren afbøjes, mens elektronstrålen transmitteres - med ubetydelig forstyrrelse.

Elektronstrålen passerer derefter gennem den aktive plasmalinse. Linsen bruges til at fokusere elektronstrålen til en sekvens af små magneter. Det magnetiske felt spreder elektronerne efter energi - meget ligesom den måde, lyset spredes af farve, når det passerer gennem et prisme.

Den spredte elektronstråle passerer derefter gennem en speciel krystal, der producerer lys, når elektronen passerer igennem. Højopløselige billeder af krystallens lyssignatur muliggør en præcis, kortlægning af sub-procent opløsning af elektronstrålens energi, og samtidige emissionsmålinger.

Målingerne kan i sidste ende hjælpe forskere med at fejlfinde, tune, og forbedre ydeevnen af ​​laser-plasma accelerationseksperimenter, og opsætningen kan potentielt være relevant for fremtidige kollider-applikationer og kompakte røntgenfrielektronlasere, forskere bemærkede, som kunne have en bred vifte af applikationer.

"Du vil være i stand til hurtigt at karakterisere disse stråler og bruge det som feedback til optimering, " sagde Barber. "Dette er nyttigt til karakterisering og kontrol af elektronstråleegenskaber."