Kompakt acceleratorteknologi opnår stor energimilepæl

Denne form for accelerator kunne også bruges til at drive en anden enhed kaldet en røntgenfri elektronlaser, som kunne tage slowmotion-film af processer på atomær eller molekylær skala. Eksempler på sådanne processer omfatter lægemiddelinteraktioner med celler, ændringer inde i batterier, der kan få dem til at antænde, kemiske reaktioner inde i solpaneler og virale proteiner, der ændrer form, når de inficerer celler.

Konceptet for wakefield laseracceleratorer blev først beskrevet i 1979. En ekstremt kraftig laser rammer heliumgas, opvarmer den til et plasma og skaber bølger, der sparker elektroner fra gassen ud i en højenergi-elektronstråle.

I løbet af de sidste par årtier har forskellige forskningsgrupper udviklet mere kraftfulde versioner. Hegelich og hans teams vigtigste fremskridt er afhængig af nanopartikler. En hjælpelaser rammer en metalplade inde i gascellen, som injicerer en strøm af metalnanopartikler, der øger den energi, der leveres til elektroner fra bølgerne.

Laseren er som en båd, der skimmer hen over en sø og efterlader et kølvandet, og elektroner rider på denne plasmabølge som surfere.

"Det er svært at komme ind i en stor bølge uden at blive overmandet, så vågne surfere bliver trukket ind af jetski," sagde Hegelich. "I vores accelerator er det, der svarer til Jet Skis, nanopartikler, der frigiver elektroner på det helt rigtige tidspunkt og på det rigtige tidspunkt, så de sidder der alle sammen i bølgen. Vi får mange flere elektroner ind i bølgen, når og hvor vi vil. dem skal være, snarere end statistisk fordelt over hele interaktionen, og det er vores hemmelige sovs."

Til dette eksperiment brugte forskerne en af ​​verdens mest kraftfulde pulserende lasere, Texas Petawatt Laser, som er anbragt på UT og affyrer en ultraintens lysimpuls hver time.

En enkelt petawatt laserimpuls indeholder omkring 1.000 gange den installerede elektriske effekt i USA, men varer kun 150 femtosekunder, mindre end en milliardtedel så længe som en lynudladning.

Holdets langsigtede mål er at drive deres system med en laser, som de i øjeblikket er ved at udvikle, der passer på en bordplade og kan skyde gentagne gange tusindvis af gange i sekundet, hvilket gør hele acceleratoren langt mere kompakt og anvendelig i meget bredere indstillinger end konventionelle acceleratorer.

Studiets medførste forfattere er Constantin Aniculaesei, tilsvarende forfatter nu ved Heinrich Heine University Düsseldorf, Tyskland; og Thanh Ha, doktorand ved UT og forsker ved TAU Systems. Andre UT-fakultetsmedlemmer er professorerne Todd Ditmire og Michael Downer.

Hegelich og Aniculaesei har indsendt en patentansøgning, der beskriver indretningen og metoden til at generere nanopartikler i en gascelle. TAU Systems, udvundet af Hegelichs laboratorium, har en eksklusiv licens fra universitetet til dette grundlæggende patent.

Flere oplysninger: Constantin Aniculaesei et al., Accelerationen af ​​et højladet elektronbundt til 10 GeV i en 10 cm nanopartikel-assisteret wakefield-accelerator, Materie and Radiation at Extremes (2023). DOI:10.1063/5.0161687

Leveret af University of Texas i Austin