Forskerholdet præsenterer en ny type partikelaccelerator

Da de er langt mere kompakte end nutidens acceleratorer, som kan være kilometer lang, plasmaacceleratorer betragtes som en lovende teknologi for fremtiden. En international forskergruppe har nu gjort betydelige fremskridt i den videre udvikling af denne tilgang:Med to komplementære eksperimenter på Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og ved Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), holdet var i stand til at kombinere to forskellige plasmateknologier for første gang og bygge en ny hybridaccelerator. Konceptet kunne fremme acceleratorudvikling og, På lang sigt, blive grundlaget for meget strålende røntgenkilder til forskning og medicin, som eksperterne beskriver i tidsskriftet Naturkommunikation .

I konventionelle partikelacceleratorer, stærke radiobølger ledes ind i specielt formede metalrør kaldet resonatorer. De partikler, der skal accelereres - som ofte er elektroner - kan ride på disse radiobølger, ligesom surfere rider på en havbølge. Men teknologiens potentiale er begrænset:At tilføre for meget radiobølgeeffekt ind i resonatorerne skaber en risiko for elektriske ladninger, der kan beskadige komponenten. Det betyder, at for at bringe partikler til høje energiniveauer, mange resonatorer skal forbindes i serie, hvilket gør nutidens acceleratorer i mange tilfælde kilometer lange.

Derfor arbejder eksperter ivrigt på et alternativ:plasmaacceleration. I princippet, kort og ekstremt kraftig laser blinker ild ind i et plasma - en ioniseret stoftilstand bestående af negativt ladede elektroner og positivt ladede atomkerner. I dette plasma, laserimpulsen genererer et stærkt vekslende elektrisk felt, ligner et skibs kølvand, som kan accelerere elektroner enormt over en meget kort afstand. I teorien, det betyder, at faciliteter kan bygges langt mere kompakte, skrumper en speeder, der i dag er hundrede meter lang ned til blot et par meter. "Denne miniaturisering er det, der gør konceptet så attraktivt, " forklarer Arie Irman, en forsker ved HZDR Institute of Radiation Physics. "Og vi håber, at det vil give selv små universitetslaboratorier råd til en kraftig accelerator i fremtiden."

Men der er endnu en variant af plasmaacceleration, hvor plasmaet drives af næsten-lys-elektronbundter i stedet for kraftige laserglimt. Denne metode giver to fordele i forhold til laserdrevet plasmaacceleration:"I princippet, det burde være muligt at opnå højere partikelenergier, og de accelererede elektronstråler burde være nemmere at kontrollere, " forklarer HZDR-fysiker og primærforfatter Thomas Kurz. "Ulempen er, at i øjeblikket, vi er afhængige af store konventionelle acceleratorer til at producere de elektronbundter, der er nødvendige for at drive plasmaet." FLASH hos DESY i Hamborg, for eksempel, hvor sådanne eksperimenter finder sted, måler godt hundrede meter.

Højenergi kombination

Det er netop her, det nye projekt kommer ind. "Vi spurgte os selv, om vi kunne bygge en langt mere kompakt accelerator til at drive plasmabølgen, siger Thomas Heinemann fra University of Strathclyde i Skotland, som også er hovedforfatter til undersøgelsen. "Vores idé var at erstatte denne konventionelle facilitet med en laserdrevet plasmaaccelerator." For at teste konceptet, holdet designede et sofistikeret eksperimentelt setup, hvor kraftige lysglimt fra HZDRs laseranlæg DRACO ramte en gasstråle af helium og nitrogen, generere en bundtet, hurtig elektronstråle via en plasmabølge. Denne elektronstråle passerer gennem en metalfolie ind i det næste segment, med folien, der reflekterer tilbage, blinker laseren.

I dette næste segment, den indkommende elektronstråle støder på en anden gas, denne gang en blanding af brint og helium, hvor den kan generere en ny, anden plasmabølge, sætte andre elektroner i turbotilstand over et spænd på blot et par millimeter - ud skyder en højenergipartikelstråle. "I processen vi præ-ioniserer plasmaet med en ekstra, svagere laserpuls, " Heinemann forklarer. "Dette gør plasmaaccelerationen med førerstrålen langt mere effektiv."

Turbo tænding:Næsten til lysets hastighed inden for blot en millimeter

Resultatet:"Vores hybridaccelerator måler mindre end en centimeter, " Kurz forklarer. "Den stråledrevne accelerator sektion bruger kun en millimeter af det til at bringe elektronerne til næsten lysets hastighed." Realistiske simuleringer af processen viser en bemærkelsesværdig gradient af den accelererende spænding i processen, svarende til en stigning på mere end tusind gange sammenlignet med en konventionel accelerator. For at understrege betydningen af ​​deres resultater, forskerne implementerede dette koncept i en lignende form ved ATLAS-laseren ved LMU i München. Imidlertid, eksperterne har stadig mange udfordringer at overvinde, før denne nye teknologi kan bruges til applikationer.

I hvert fald Eksperterne har allerede mulige anvendelsesområder i tankerne:"Forskningsgrupper, der i øjeblikket ikke har en passende partikelaccelerator, kan muligvis bruge og videreudvikle denne teknologi, "Håber Arie Irman. "Og for det andet, vores hybridaccelerator kunne være grundlaget for det, der kaldes en fri-elektronlaser." Sådanne FEL'er betragtes som ekstremt højkvalitets strålingskilder, især røntgenstråler, til ultrapræcise analyser af nanomaterialer, biomolekyler, eller geologiske prøver. Indtil nu, disse røntgenlasere krævede lange og dyre konventionelle acceleratorer. Den nye plasmateknologi kunne gøre dem meget mere kompakte og omkostningseffektive – og måske også overkommelige for et almindeligt universitetslaboratorium.