"Truva Atı" nın atomik versiyonu bir hızlandırıcı devrimi başlatacak
Bilim adamları doğayı en temel düzeyde nasıl keşfederler?
Atomik ve atom altı ayrıntıları tanımlayabilen bir "süper mikroskop" yapacaklar. Ancak bu, görünür ışık altında çalışmaz. Maddeyi en küçük ölçekte tespit etmek istiyorlarsa, Elektron demeti Bunları kullanmak için ya doğrudan bir parçacık çarpıştırıcıda kullanın ya da enerjilerini bir X-ışını lazerinde parlak X-ışınlarına dönüştürün. Bilimsel keşifler yapabilen bu makinelerde C pozisyonu partikül hızlandırıcılarla doldurulur. İlk olarak, parçacık hızlandırıcı elektron üretir ve ardından bir dizi hızlandırıcı boşluktaki elektronların enerjisini artırır.
Şimdi, uluslararası bir araştırma ekibi, daha parlak, plazma bazlı bir elektron kaynağının daha kompakt ve güçlü bir parçacık hızlandırıcıda kullanılabileceğini keşfetti.
Bu yöntemde elektron ışınının elektronları plazmadaki nötr atomlardan salınır. Bu yönteme Truva Atı Teknolojisi , Eski Yunanlıların Troya'yı işgal etme şeklini anımsatan güçlü askerlerini (elektronlarını) bir Truva atına (plazma) sakladılar ve daha sonra şehre çekildiler (hızlandırıcı).
Bir lazer ışını (solda kırmızı) helyum atomlarından elektronları (mavi noktalar) ayırır. Elektron ışını (yeşil) tarafından oluşturulan plazma baloncuğunda (beyaz elips) bazı serbest elektronlar (kırmızı noktalar) hızlandırılır. | Resim kaynağı: Thomas Heinemann / Strathclyde Üniversitesi
Strathclyde Üniversitesi Bernhard Hidding Bu araştırmanın baş araştırmacısı, "Deneylerimiz, Truva atı yönteminin gerçekten işe yarayabileceğini ilk kez gösteriyor. Bu, gelecekteki en umut verici elektron kaynağı yöntemidir ve günümüz teknolojisinin sınırlarını kırabilir."
Bu araştırma Nature-Physics dergisinde yayınlandı.
1. Metali plazma ile değiştirin
Şu andaki en gelişmiş hızlandırıcılarda, elektronlar, lazer ışığını metal bir foto katot üzerine ışınlayarak üretilir ve metal foto katot elektronları metalin dışına atar. Elektronlar, bir radyo frekansı alanından giderek daha fazla enerji emecekleri ve yüksek enerjili bir elektron ışını oluşturacakları metal boşlukta hızlandırılır. SLAC Ulusal Hızlandırma Laboratuvarı'ndaki LCLS gibi X-ışını lazerlerinde, elektron ışınları son derece parlak X-ışınlarını çalıştırabilir.
Bununla birlikte, belirli bir mesafe içinde, metal boşluk elektronlar için yalnızca sınırlı bir enerji kazancı veya ivme gradyanı sağlayabilir. Bu nedenle, daha fazla enerji kazancı elde etmek istiyorsanız, hızlandırıcının daha büyük olması gerekir Sonuç olarak, hızlandırıcıyı inşa etmek için gereken taban alanı ve maliyet çok büyük olacaktır. Son yıllarda, bilim adamları hızlandırıcıları daha kompakt hale getirmenin yollarını arıyorlar. Örneğin, plazmanın, gelecekteki hızlandırıcıların uzunluğunu 100 ila 1000 kat kısaltabilecek daha yüksek hızlanma gradyanları elde etmek için metal boşlukların yerine kullanılabileceğini kanıtladılar.
Yeni makale, hızlandırıcılar için bir elektron kaynağı olarak plazma kavramını genişletiyor. SLAC Mark Hogan Makalenin bir ortak yazarı, "Daha önce plazma ivmesinin çok güçlü ve verimli olabileceğini göstermiştik, ancak henüz gelecekteki uygulamalar için yüksek kaliteli elektron ışınları üretemedik. Elektron ışınlarının kalitesini artırmak gelecek. Birkaç yıldır birincil görev ve yeni bir elektron kaynağı türünün geliştirilmesi bunun önemli bir parçası. "
Önceki hesaplamalarına göre, Truva atı teknolojisi, elektron ışını parlaklığını günümüzün en güçlü elektron ışınından 100 ila 10.000 kat daha yüksek hale getirebilir. Daha parlak elektron ışınları, gelecekteki X-ışını lazerlerini daha parlak hale getirerek bilimsel yeteneklerini daha da geliştirebilir.
UCLA'daki Truva Atı Projesi Baş Araştırmacısı James Rosenzweig Plazmadaki yüksek ivme gradyanı, plazmadaki ışın üretimi ile birleştirilebilirse, aynı enerjiye sahip bir X-ışını lazerinin birkaç kilometre yerine birkaç metre mesafede üretilebileceğini söyledi.
2. Gelişmiş elektron demeti üretimi
Araştırmacılar deneylerini SLAC'ın FACET cihazı üzerinde gerçekleştirdiler. FACET şu anda, yeni nesil hızlandırıcı teknolojisi araştırmalarında (plazma hızlandırma gibi) kullanılabilecek yüksek enerjili elektron darbeleri üretebilen büyük bir yükseltme sürecinden geçiyor.
İlk olarak, araştırma ekibi bir lazer ışınını hidrojen ve helyum karışımına ışınladı. Kullanılan lazer, elektronları hidrojenden ayırmak ve nötr hidrojeni plazmaya dönüştürmek için yeterli enerjiye sahiptir. Ancak enerjisi helyumu iyona dönüştürmek için yeterli değildir Helyumun elektronları, hidrojenin elektronlarından daha sıkı bağlıdır, bu nedenle plazmada nötr kalacaktır.
Daha sonra, araştırmacılar FACET'ten bir elektron ışını, tıpkı bir motorlu tekne suda kayarken bir uyanma oluşması gibi, bir plazma uyanıklığının üretildiği plazmaya gönderirler. Takip eden elektronlar uyanışta "sörf yapabilir" ve büyük enerji elde edebilir.
Bu çalışmada, kuyruk elektronları plazmanın içinden geldi (aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi). Elektron ışını ve uyanışı geçerken, araştırmacılar plazmadaki helyumu aydınlatmak için ikinci, sıkı odaklanmış bir lazer ışını kullandılar. Bu kez lazer darbesi, elektronları helyum atomlarından ayırmaya yetecek kadar enerjiye sahiptir ve elektronlar uyanışta hızlanır.
Bu animasyon, Truva atı yöntemi kavramını sunar. SLAC'ın FACET cihazındaki bir elektron demeti (sağdaki parlak beyaz nokta) hidrojen plazmasından (mor) geçerek bir plazma balonu (mavi) oluşturur. Kabarcık plazmadan ışık hızına yakın bir hızla geçtiğinde, bir lazer darbesi plazmadaki nötr helyum atomları üzerindeki elektronları (beyaz noktalar) ayırır ve bu salınan elektronlar, balonun kuyruğunda hapsolur. Enerji alın (solda beyaz parlak nokta). | Resim kaynağı: Greg Stewart / SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı
Elektron ışınları plazmadan ışık hızına yakın bir hızda geçer ve bunlar ile lazer flaşı arasındaki senkronizasyon yalnızca saniyenin birkaç binde biri kadar sürer, bu özellikle önemli ve zordur. Kaliforniya Üniversitesi, Los Angeles Aihua Deng Makalenin ana yazarlarından biri, Flaş çok erken gelirse, ürettiği elektronlar plazma uyanıklığının oluşumunu engelleyecektir. Çok geç gelirse, plazma uyanışı hareket edecek ve elektronların başarısız olmasına neden olacaktır. hızlandırın. "
Araştırmacılar, artık Truva atı yöntemiyle elde edilebilen elektron ışını parlaklığının, mevcut en gelişmiş elektron kaynaklarıyla karşılaştırılabilir olduğunu tahmin ediyor.
Almanya, Hamburg Üniversitesi'nden bir başka baş yazar Oliver Karger Dedi ki: "Teknolojimizin devrimci olmasının nedeni elektron yapmanın yoludur." Elektronlar helyumdan sıyrıldıklarında, pozitif yönde hızla ivmelenecekler ve bu da ışık demetlerini birbirine sıkıca sarılmış hale getirecek. Daha parlak bir ışın için bir ön koşul.
Dikey bir geometride (lazer ve elektron ışını arasında 90 derece) yüksek enerjili elektron ışınları üretmek için SLAC'ta uygulanan Truva atı teknolojisinin kullanılması. Bir lazer ışını (kırmızı, sağdan sola) helyum atomlarındaki elektronları (mavi noktalar) ayırır. Bazı serbest elektronlar (mordan sarı noktalara), bir elektron ışını (yeşil) tarafından oluşturulan bir plazma baloncuğunda (beyaz elips) hızlandırılır. | Resim kaynağı: Thomas Heinemann / Strathclyde Üniversitesi
Eşdoğrusal geometride yüksek enerjili elektron ışınları üretmek için Truva atı teknolojisini kullanın (lazer ve elektron ışınları hizalanır). Odaklanmış bir lazer (turuncu-kırmızı), helyum atomlarındaki elektronları (başlangıçta mavi noktalar) çıkarır. Sonra tüm bu serbest elektronlar, elektron ışını (yeşil) tarafından oluşturulan bir plazma baloncuğunda (beyaz elips) hızlandırılır (giderek daha fazla yeşil nokta). | Resim kaynağı: Thomas Heinemann / Strathclyde Üniversitesi
3. Daha fazla araştırma ve geliştirme çalışması
Ancak bu tür küçük X-ışını lazerlerinin uygulanmasını gerçeğe dönüştürmek için bilim insanlarının daha fazla araştırma yapması gerekiyor. Ardından, araştırmacılar ışının kalitesini ve kararlılığını iyileştirmek ve daha iyi teşhisler yapmak istiyorlar, böylece sadece bir tahminde bulunmak yerine ışının parlaklığını ölçebiliyorlar.
Bu gelişmeler, FACET'in FACET-II'ye yükseltilmesinden sonra tamamlanacaktır. FACET Direktörü Vitaly Yakimenko Dedi: "Bu deney, bir plazma uyanıklığı oluşturmak için güçlü bir elektron ışını kullanma yeteneğine dayanıyor. FACET-II, yeterince yüksek yoğunluk ve enerjiye sahip bir elektron ışını üretebilen dünyadaki tek yer olacak."
Referans bağlantısı:
https://www6.slac.stanford.edu/news/2019-08-12-atomic-trojan-horse-could-inspire-new-generation-x-ray-lasers-and-particle
