Den direkte observation af meget ikke-lineære plasmabølger

I løbet af de sidste par årtier har fysikere og ingeniører forsøgt at skabe mere og mere kompakte laser-plasmaacceleratorer, en teknologi til at studere stof- og partikelinteraktioner frembragt af interaktioner mellem ultrahurtige laserstråler og plasma. Disse systemer er et lovende alternativ til eksisterende storskalamaskiner baseret på radiofrekvente signaler, da de kan være langt mere effektive til at accelerere ladede partikler.

Mens laserplasmaacceleratorer endnu ikke er udbredt, har flere undersøgelser fremhævet deres værdi og potentiale. For at optimere kvaliteten af ​​den accelererede laserstråle, der produceres af disse enheder, bliver forskere imidlertid nødt til at kunne overvåge flere ultrahurtige fysiske processer i realtid.

Forskere ved Weizmann Institute of Science (WIS) i Israel har for nylig udtænkt en metode til direkte at observere laserdrevne og ikke-lineære relativistiske plasmabølger i realtid. Ved at bruge denne metode, introduceret i et papir offentliggjort i Nature Physics , var de i stand til at karakterisere ikke-lineært plasma ved utrolig høje tidsmæssige og rumlige opløsninger.

"Det er meget udfordrende at afbilde en mikrometrisk laserdrevet plasmabølge, der løber med lysets hastighed, hvilket indebærer brugen af ​​ultrakorte lysimpulser eller bundter af ladede partikler," Yang Wan, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Mens lyset kan afsløre strukturer i plasmatæthed, sonderer partikelstrålerne de indre felter af plasmabølger og kan således give os meget mere information om disse bølgers tilstand, dvs. deres kapacitet til at injicere og accelerere plasmaelektronerne."

Det nylige arbejde af Wan og hans kolleger er baseret på en tidligere proof-of-principle undersøgelse, han udførte med sit tidligere forskerhold ved Tsinghua University i Kina. Denne tidligere undersøgelse bekræftede i det væsentlige gennemførligheden af ​​at afbilde svagere lineære sinusbølger (dvs. naturlige repræsentationer af, hvor mange ting og systemer i naturen, der ændrer tilstand over tid).

"For direkte at observere den meget ikke-lineære plasmabølge, der er mest populært brugt til elektronacceleration, konstruerede vi to højeffekt laserplasmaacceleratorer ved hjælp af vores dobbelte 100 TW lasersystem på WIS," forklarede Wan. "Dette system producerer en højenergi høj-ladet elektronsonde, og det andet producerer et meget ikke-lineært plasmavågefelt, der skal sonderes. I denne eksplorative undersøgelse har vi testet denne nye billeddannelsesteknik til dets grænser og ledt efter de fine feltstrukturer inde i ikke-lineære plasmabølger."

Det oprindelige mål med eksperimentet udført af Wan og hans kolleger hos WIS var at observere plasmabølger i detaljer. Efter at have gjort dette indså holdet dog, at ikke-lineære plasmabølger afveg probepartikler på mere interessante og overraskende måder, idet de virkede gennem både elektriske og magnetiske felter.

"Når vi dechiffrerede denne information med teoretiske og numeriske modeller, identificerede vi de funktioner, der korrelerer direkte med den tætte elektronspids på bagsiden af ​​den dannede 'plasmaboble'," sagde Wan. "Så vidt vi ved, er dette den første måling af sådanne fine strukturer inde i den ikke-lineære plasmabølge."

Wan og hans kolleger øgede efterfølgende styrken af ​​driverlaseren, der blev brugt i deres eksperiment. Dette gjorde det muligt for dem at identificere det såkaldte "bølgebrud", den tilstand, hvorefter en plasmabølge ikke længere kan vokse, så den i stedet fanger plasmaelektroner i sit accelererende felt. Bølgebrud er et grundlæggende fysisk fænomen, især i plasma.

"Den første vigtige præstation af vores arbejde er billeddannelsen af ​​de ekstremt stærke felter af relativistiske plasmaer, da den udnytter en unik egenskab ved sådanne laserplasmaacceleratorer - strålevarigheden på få femtosekunder og mikrometerstrålekildestørrelsen, som giver ultra -høj rumlig og tidsmæssig opløsning til at fange de mikroskopiske fænomener, der kører med lysets hastighed," sagde Wan. "Ved at afbilde plasmabølgen observerede vi også direkte den subtile proces med 'bølgebrud', hvilket i sig selv var en vidunderlig oplevelse."

Det er bemærkelsesværdigt, at målingerne indsamlet af dette hold af forskere ville være umulige at opnå ved at bruge nogen af ​​de eksisterende konventionelle acceleratorer baseret på radiofrekvensteknologi. I fremtiden kan deres arbejde således inspirere andre teams til at udtænke lignende eksperimentelle metoder til at observere de mange nuancer af plasma yderligere.

"Bølgebrydning er også afgørende for plasma-baserede acceleratorer på grund af produktionen af ​​relativistiske elektroner fra selvinjektion," sagde Wan. "Denne indsprøjtningsmekanisme er ret vigtig i et-trins multi-GeV acceleratorer, hvor det er svært at opretholde den kontrollerede indsprøjtning over en lang driftstid."

Dette nylige arbejde af Wan og hans kolleger kan have adskillige vigtige konsekvenser for udviklingen og brugen af ​​laser-plasma-acceleratorer. Mest bemærkelsesværdigt introducerer det et værdifuldt værktøj til at identificere elektron-selv-injektionsprocessen i realtid, hvilket ville give forskere mulighed for at finjustere acceleratorer og forbedre kvaliteten af ​​deres stråler.

"Vi har nu et unikt og kraftfuldt værktøj til at udforske ekstreme felter til at undersøge mange andre fundamentale spørgsmål i en bredere vifte af plasmaparametre, der er relevante for fysik, herunder partikelstråledrevet wakefield, stråle-plasma-interaktion og fusionsrelateret plasmadynamik." Prof. Victor Malka, hovedforsker af undersøgelsen og gruppens ledende forsker, fortalte Phys.org. "Fremtiden er meget spændende, og vi er utålmodige efter at gå dybere ind i udforskningen af ​​rige fænomener inden for plasmafysik." + Udforsk yderligere

Verdensrekordacceleration:nul til 7,8 milliarder elektronvolt i 8 tommer

© 2022 Science X Network