Balancerende stråler:Flere laserstråler viser bedre elektron- og ionacceleration

Ved at bruge en kombination af flere laserstråler har forskere fra Osaka University demonstreret højkvalitets elektron- og ionacceleration, som er essentiel for fremtidige kompakte acceleratorer med høj energi og røntgenkilder med høj lysstyrke.

I de senere år har laserdrevet partikelacceleration tiltrukket sig betydelig opmærksomhed som et kompakt alternativ til konventionelle radiofrekvensacceleratorer, der bruges i højenergifysiske eksperimenter og medicinske faciliteter. Laserdrevet acceleration er baseret på interaktionen af ​​intense laserimpulser med plasmaer, som er ioniserede gasser. Når en højeffekt laserimpuls interagerer med et plasma, kan den generere stærke elektriske og magnetiske felter, der kan accelerere elektroner og ioner til meget høje energier.

En af udfordringerne ved laserdrevet acceleration er dog at opretholde kvaliteten af ​​de accelererede partikler. Når en enkelt laserimpuls bruges til at accelerere partikler, kan accelerationsprocessen være ustabil, hvilket fører til variationer i de accelererede partiklers energi og baner. Dette kan begrænse anvendelsen af ​​laserdrevet acceleration i praktiske omgivelser.

For at overvinde disse udfordringer har forskere ved Osaka University, ledet af professor Yasuhiko Sentoku, udforsket en ny tilgang ved hjælp af flere laserstråler. Ved at opdele en enkelt laserimpuls i flere stråler og derefter rekombinere dem på en bestemt måde, var forskerne i stand til at opnå mere stabil og kontrolleret acceleration af elektroner og ioner.

I deres eksperimenter brugte forskerne et højeffektlasersystem kaldet "10 PW Laser Facility" ved Institute of Laser Engineering (ILE), Osaka University. Lasersystemet kan levere ultra-intense laserimpulser med en spidseffekt på 10 petawat (PW), hvilket svarer til det samlede elektriske strømforbrug i hele USA.

Ved at bruge flere laserstråler observerede forskerne forbedret acceleration af både elektroner og ioner sammenlignet med tilfældet med en enkelt laserimpuls. De accelererede elektroner nåede energier på adskillige GeV, mens de accelererede ioner nåede energier på adskillige MeV. Kvaliteten af ​​de accelererede partikler, med hensyn til deres energispredning og vinkeldivergens, var signifikant bedre ved brug af flere laserstråler.

Forbedringen i partikelaccelerationsydelsen blev tilskrevet den mere stabile og kontrollerede interaktion mellem de multiple laserstråler og plasmaet. Brugen af ​​flere beamlets muliggjorde bedre kontrol af laserintensiteten og fasefordelingen, hvilket resulterede i mere effektiv acceleration og forbedret strålekvalitet.

Forskerholdet mener, at brugen af ​​flere laserstråler kan bane vejen for udviklingen af ​​næste generation af laserdrevne partikelacceleratorer, der er kompakte, effektive og i stand til at producere partikelstråler af høj kvalitet. Sådanne acceleratorer kan have en bred vifte af anvendelser, herunder grundlæggende forskning i højenergifysik, kompakte strålingskilder til medicinske og industrielle formål og avancerede billeddannelsesteknikker såsom røntgenmikroskopi og tomografi.