İlerleme Lazer hızlandırma yeni ilerleme: ultra yüksek katı hedef yükü ile göreli elektron hızlandırma
Son yıllarda, yeni tip lazer plazma hızlandırıcılar hızla geliştirildi. Geleneksel radyo frekansı hızlandırıcılarla karşılaştırıldığında, lazer plazma hızlandırıcılar hızlanma gradyanı ve ışın boyutu açısından önemli avantajlara sahiptir. Geleneksel radyo frekansı hızlandırıcıları, hızlanan ortamın elektriksel bozulma gücü ile sınırlandırılan yüklü parçacıkları hızlandırmak için dalga kılavuzu boşluğunda salınan elektromanyetik alanı kullanır ve enerji kazancı genellikle ~ 100MV / m'dir. Lazer plazma hızlandırıcının hızlandırma ortamı plazmadır ve hızlanma gradyanı genellikle 100GV / m'nin üzerindedir; bu, geleneksel radyo frekansı hızlandırıcısından en az 3 büyüklük sırası daha yüksektir. Bu nedenle, lazer plazma hızlandırıcı, geleneksel hızlandırıcıdaki birkaç kilometrelik hızlanma mesafesine kıyasla masada gerçekleştirilebilir. Kompakt boyut ve düşük maliyet, lazer plazma hızlandırma araştırmalarının hızlı gelişimini teşvik etmiştir. Ek olarak, lazer plazma ivmesinin zaman ölçeği ps'den fs'ye kadardır. Bu ultra kısa özellik, elektron demetini ve elektron ışınları tarafından üretilen ikincil kaynakları (X-ışınları, gama ışınları, protonlar, nötronlar vb.), Moleküllerin ve atomların ultra hızlı dinamiklerini incelemek için ideal problar haline getirir. Dahası, elektron ışınının ultra kısa özellikleri, önemli uygulama beklentilerine sahip olan ultra yüksek ışın akım gücüne de yol açar.
Bununla birlikte, lazer plazma ivmesi sırasında hızlanan elektrik alanı ile plazma yoğunluğu arasındaki çelişkili ilişki nedeniyle, hızlandırılmış elektronların yük miktarı, lazer ivmesinin darboğazı haline gelir. Lazer ve düşük yoğunluklu gaz hedefi arasındaki etkileşimde, elektron ışını kümesinin ıraksama açısı çok küçük olabilir, ancak yük miktarı genellikle onlarca piko ile sınırlıdır.Lazer ile yüksek yoğunluklu katı hedef arasındaki etkileşimde, elektron ışınının yükü Miktar birkaç nanoküplere ulaşabilir, ancak koşutlanmış elektrik alanının ölçeği çok kısadır ve büyük bir ışın sapma açısına sahiptir. Şu anda, lazer plazma ivmesi, küçük sapma açılarına ve büyük yüklere sahip elektron ışınları elde edemez.
Yakın zamanda, Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Araştırma Merkezi, Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü / Ulusal Optik Fizik Araştırma Merkezi Fizik Enstitüsü'nden Araştırmacı Chen Liming ve Akademisyen Zhang Jie liderliğindeki araştırma ekibi, dünyada ilk kez, aşırı yüksek yük ve son derece küçük ışın kümesi sapması ile görelilik teorisini bildirdi. Elektron demeti. Makale kısa bir süre önce Proceedings of the National Academy of Sciences olan PNAS'ta yayınlandı.Yazarın ilk yazarı olan Dr. Ma Yong, şu anda Michigan Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olarak çalışıyor.
Ekip, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nın Titan lazerini (güç: 200TW, darbe genişliği: 1ps), katı bir bakır hedefle (Şekil 1) etkileşime girmek için kullandı ve ~ 100 nanoküplük bir yük ve 3 dereceden daha az bir sapma açısı ( Şekil 2, 3), yarı-tek bir enerji spektrum yapısına sahip göreceli bir elektron ışını. Elektron ışınının kalitesi, lazer darbesinin kontrastı ve enerjisi ayarlanarak iyi kontrol edilebilir. Teorik analiz ve sayısal simülasyon sayesinde, yeni bir hızlanma mekanizması türü de ortaya çıkar: Kritik yoğunluğa yakın yoğunluğa sahip ön plazma, önceden katı yüzey üzerinde lazer ön darbe iyonizasyonu ile üretilir; ana darbe, ön plazma üzerinde geniş bir açıyla meydana gelir ve içinde kendi kendine filamentlenme etkisine maruz kalır. , Filamentlerin bir kısmı, düşük yoğunluklu plazmada bir kanal oluşturmak için kritik yoğunluklu yüzey tarafından yansıtılacaktır; lazer elektrik alanı her optik döngüde bir grup elektronu hızlandıracak ve bu elektron grupları plazma kanalında çok yüksek bir yüke ivmelendirilecektir. Elektron ışını, kanaldaki son derece yüksek elektromanyetik alan tarafından yanal olarak sıkıştırılır, bu nedenle yüksek derecede bir kolimasyona sahiptir (Şekil 4). Elektron enerjisi kazancının kaynağını analiz ederek, tipik uyanma alanı elektron ivmesinden farklı olarak, kanaldaki elektron enerjisinin esas olarak plazma dalgası elektrik alan yoğunluğundan (Şekil 4E) daha yüksek olan lazer elektrik alanının doğrudan ivmesinden kaynaklandığı ve plazma kanalının Rolü, sürekli olarak bir elektron kaynağı sağlamak, lazer darbelerini yönlendirmek ve elektron ışınını sıkıştırarak tam bir ivme yapısı oluşturmaktır.
Elektron demetinin aşırı yüksek şarj miktarı ve ultra kısa darbe genişliği sayesinde, deneyde üretilen elektron ışınının tepe akımı 100 kA'yı aşıyor. Elektron ışınının parlaklığı, mevcut geleneksel hızlandırıcıların en yüksek elektron parlaklığı ile karşılaştırılabilir olan 10 ^ 16A / m ^ 2'ye ulaşır. Bu tür elektron demeti, sıcak ve yoğun ve hatta termal olarak yoğun malzemeleri sürmek için çok umut vericidir. Örneğin, bu elektron ışınının tüm enerjisi altın gibi yüksek-Z malzemelerde biriktirilirse, karşılık gelen malzeme enerji yoğunluğu, sıcak ve yoğun malzemeleri sürmek için yaygın olarak kullanılan SLAC X'inkinden daha yüksek olan 10 ^ 12J / m ^ 3 kadar yüksek olabilir. Işınsız elektron lazerin enerji yoğunluğu. Ek olarak, yüksek şarjlı koşutlanmış elektron demeti kümeleri, yüksek akılı gama ışını kaynaklarını, tek atımlı elektroradyografiyi sürmek için de kullanılabilir ve hatta atalet hapsi füzyon hızlı ateşleme araştırmasını teşvik etmek için ateşleyiciler olarak kullanılması beklenebilir.
Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Ulusal Anahtar Temel Araştırma ve Geliştirme Programı ve Çin Bilimler Akademisi Pilot Projesi tarafından finanse edilmiştir.
Şekil 1 Deneysel düzen diyagramı.
Şekil 2 Elektron ışınının uzaysal dağılımı. A ve B, düşük ön darbe yoğunluğu ve yüksek ön darbe yoğunluğu gibi farklı durumlara karşılık gelir.
Şekil 3 Lazer ön darbe enerjisi ile elektron ışını yükünün ve ıraksama açısının değişimi.
Şekil 4 Sayısal simülasyon sonuçları. (A, B) Lazer yoğunluğu dağılımı, (C, D) Plazma yoğunluğu dağılımı. E, elektron ışını enerji kazancının faz uzayı dağılımı. F, elektron ışını enerji spektrumu ve açısal dağılım.
Yayıncı: Cloudiiink
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
