Plazmos greitintuvai viršijo 1 GeV slenkstį • Aleksejus Levinas • Mokslo naujienos apie "Elementus" • Fizika

Plazmos greitintuvai įveikia 1 GeV slenkstį

Aukštos kokybės elektronų grupes, kurių energija yra 1 GeV, gaunama pastaraisiais LOASIS grupės eksperimentais (vaizdas iš svetainės www.lbl.gov)

Faktoriai iš Lawrence Berkeley nacionalinės laboratorijos (Lawrence Berkeley National Laboratory) bendradarbiaudami su Anglijos kolegomis Oksfordo universitete gerokai padidino elektronų lazerio ir plazmos pagreičio efektyvumą. Šie tyrimai skatina naujos kartos galingų ir tuo pačiu metu kompaktiškų didelės energijos elektroninių greitintuvų kūrimą, kuris pagreitina šias daleles ne dideliame vakuume, o plazmoje. Eksperimento rezultatai bus paskelbti spalio mėn. Leidime. Gamtos fizika.

Kaip gerai žinoma, galingi elektronų greitintuvai skiriasi daugiau nei kieto matmenų. Pavyzdžiui, Stanfordo linijinio greitintuvo centro (SLAC, Stanfordo linijinio pagreičio centro SLAC, linijinis kolektorius SLC, SLAC), kuris suteikia elektronų energiją iki 50 GeV (GV, 109 elektronų voltas) ilgis yra 3200 metrų. Ir tai nėra atsitiktinumas. Radijo dažnių vakuuminių greitintuvų matmenys priklauso nuo greitėjančio elektrinio lauko intensyvumo ribų, kuris yra didesnis nei 100 milijonų V / m (voltų vienam metrui) dėl galimybės sugedus (SLC veikimo rodiklis yra daug mažesnis – 20 milijonų V / m).

Dėl šios priežasties keletą dešimtmečių mokslininkai diskutavo apie elektronų greitėjimo galimybę ne tuščioje erdvėje, bet plazmoje. Tokiu atveju elektronai didina greitį, plaučių tankio tankio sparčiai besiskiriančių "kraigo" judesį, vadinamą pabusti (eng. Wakefield) Plazmos pagreitis bangos bangos principu leidžia padidinti elektrinį lauką trimis ar keturiais dydžiais ir tuo pačiu metu nesukelti pavojaus suskaidyti.

Kapiliarinis bangolaidis yra pripildytas vandeniliu. Elektrinis iškrovimas tarp elektrodų bangolaidžio galuose šildo dujas, paverčia jį į plazmą. Lazeris pagreitina elektronų spindulį, kuris vadovaujamasi elektromagnetais ir stebimas naudojant fosforo ekraną

Laukimo bangos plazmoje sujaudina lazerio impulsus. Tokie impulsai tiesiog išstumia elektronus iš savo kelio ir taip sukelia jų tankio sutrikimus. Kaip rezultatas, lazerinis impulsas, atrodo, vilkia įkrovos tankio bangą, todėl jis vadinamas "pabusti". Kadangi ši banga sklinda po impulso be atsilikimo, jos fazinis greitis sutampa su pačios impulso grupės greičiu.Jei plazma yra pakankamai ribota, impulso greitis labai mažai skiriasi nuo šviesos greičio. Bėgančiosios bangos fazinis greitis pasiekia tas pačias vertybes, kurios leidžia pagreitinti elektronų į relativistines ir net ultraarelativizmo energijas.

Daugelyje laboratorijų visame pasaulyje tiriamos elektronų lazerio spartos plazmos bangos galimybės. Šiuose eksperimentuose į plazmą įšvirkščiami pagreitintų elektronų ryšuliai (patys elektronai gali būti iš anksto pagreitinti tradiciniu radijo dažnio greitintuvu), kuris tuo pačiu metu "apdorojamas" lazeriniais impulsais. Šią technologiją paprastai žymi anglų santrumpa LWFA ("Laser Wakefield Acceleration" – greitintuvai su lazerio laukimo lauku).

Iki šiol gautų tyrimų rezultatai gali būti vertinami taip: gerai, bet būtų daug geriau. Plazmoje jau buvo įmanoma sukurti dinamiškus laukus, kurių didelis intensyvumas yra apie 100 mlrd. V / m, tačiau jie nėra labai stabilūs. Galbūt pagrindinis sunkumas yra tas, kad norint pasiekti ultrarelativistinę elektronų energiją, plazma turi išlaikyti didelį lazerio impulso intensyvumą plačiu ilgiu, tarkim, skaitiklio tvarka.Vienas iš geriausių būdų, kaip išspręsti šią problemą, yra sukurti plazmos kanalus, per kuriuos lazerio impulsai gali plisti, kaip ir bangolaidžių. Norint gauti tokius kanalus, yra įvairių būdų, kurie šiuo metu yra intensyviai nagrinėjami.

LOASIS grupė. Iš dešinės į priekį yra Wim Limans (su Wim ant drabužio). Nuotraukos iš www.lbl.gov

Berkeley tyrėjai, vadovaujami Wim Lymans (Wim Leemans), vadina savo grupę LOASIS (Laser Optics and Accelerator Systems Integrated Studies). Jau keletą metų LOASIS kuria metodą elektronų pagreitinimui vandenilio plazmos kanaluose, kurie anksčiau buvo sukurti naudojant porą sutelktų lazerinių spindulių. Pirmasis spindulys eina per ribinį vandenilį ir "gręžia" ateities kanalo lazdele. Tuomet yra nukreipta antroji spinduliuotė, kuri papildomai šildo plazmą ir galiausiai formuoja kanalą. Po to praeina pagrindinis lazerinis impulsas, kuris sukuria bangos bangos. Tokiu būdu galima pasiekti didelį elektronų pagreitį, nenaudojant ypač galingų lazerių, kuris, žinoma, supaprastina užduotį.

2004 m. Rudenį Limans grupė pranešė apie elektronų pagreitinimą plazminio bangolaidžio iki 200 MeV energijos (megaelektronvolto, 106 elektronų voltų) naudojant lazerinius impulsus, kurių maksimali galia tik 9 TW (teravatai, 1012 vatas). Tai buvo nuostabus jų metodo pažados demonstravimas, nes kitos grupės gavo panašius rezultatus su 30 teravatų lazeriais.

Svarbiausias lazerio spindulys patenka per plazmos viduje sapphire kapiliarinį bangolaidį (nuotrauka iš www.lbl.gov)

Ši byla padėjo tolesnei pažangai. "Leaman" susitiko su Oxfordo fiziku Simon Hooker, kuris ilgą laiką dalyvavo plazmoje esančių nuotekų problemų. Hooker'io grupė sukūrė labai paprastų kapiliarų permezavusį safyro blokų gamybos būdą. Buvo galima pumpuoti vandenilį į tokį kapiliarą ir paversti jį jonizuotoje plazmoje, naudojant elektrinį kondensatorių. Plazmos tankis kapiliariniame centre buvo labai mažas ir padidėjo šalia jo sienų. Vairuotojo lazerio impulsai galėjo praeiti per labai ryškią centrinės zonos plazmą, beveik jokio greičio praradimo, kuris buvo reikalingas eksperimentams po pažadinimo elektronų pagreičio.Be to, safyro kapiliarai prisidėjo prie šių impulsų stabilizavimo, o tai leido padidinti takelio ilgį, kuriame vyko elektronų pagreitis.

2004 m. Eksperimentuose Limans grupė pasiekė elektronų pagreitį tik 2 milimetrų ilgio taku, o safyro kapiliarų viduje elektronai stabiliai paspartėjo centimetrų atstumu.

Lemano ir Hookerio grupės nusprendė suvienyti jėgas ir pradėjo bendrus eksperimentus, o dabar jie jau panaudojo 40-terawatt lazerį, kad generuotų bangos. Su juo jie išsisklaidė elektronus kapiliaruose, kurių ilgis siekia 33 milimetrus, o energija šiek tiek viršija 1 GeV. Ne mažiau svarbu yra tas faktas, kad jiems pavyko gauti beveik monochromatines elektronų keklines, kurių metu dalelių sklaidos energija neviršijo 2,5%. Šio eksperimento rezultatai reiškia, kad viltys dėl didelės energijos plazmos elektronų greitintuvų pasirodymo įgijo daug tvirtesnio pagrindo.

Kartais jūs turite perskaityti, kad lazerio ir plazmos pagreičio technologija su laiku leis jums pagreitinti elektronų į ultraarelativistinę energiją beveik ant stalinių įrenginių.Tikėtina, kad tai niekada neįvyks, tačiau galimas dalykas, kad greitintuvai yra daug galingesni nei SLC, bus pastatyti į gana paprasto dydžio pastatus. Mes sutinkame, kad tai nėra blogai.

Šaltiniai:
1) Nuo nulinio iki milijardo elektronų voltų 3,3 centimetrais (didžiausia energija iš Laser Wakefield pagreičio) // "Lawrence" nacionalinės laboratorijos pranešimas spaudai Berkeley, 2006.09.25.
2) W. P. Leemans ir kt. GeV elektronų spinduliai iš centimetro akceleratoriaus (iliustracijas galite peržiūrėti čia) // Gamtos fizika, doi: 10.1038 / nphys418. Išankstinis internetinis leidinys 2006 m. Rugsėjo 24 d.

Taip pat žiūrėkite:
Chandrashekar Joshi. Plazmos greitintuvai // "Mokslo pasaulyje" Nr. 5, 2006.

Aleksejus Levinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: