بازیابی شتاب دهنده پلاسما در ده ها نانوثانیه

دو سلول پلاسما FLASHForward. سلول ها با گاز آرگون پر شده اند که می تواند با تخلیه الکتریکی با ولتاژ بالا یونیزه شود و پلاسما تشکیل دهد. همانطور که پلاسما دوباره ترکیب می شود، نوری در محدوده طول موج آبی ساطع می کند. سپس سلول ها را می توان برای شتاب پلاسمایی دسته های الکترونی در گرادیان های شتاب دهنده گیگاولت بر متر استفاده کرد.

فناوری پلاسما این نوید را دارد که می‌تواند ذرات باردار را تا انرژی‌های بسیار بالا در فواصل بسیار کوتاه شتاب دهد - و بنابراین با هزینه‌های بسیار کمتر از امکانات امروزی در مقیاس کیلومتر. اما برای اینکه واقعاً کاربردی باشند، چنین دستگاه هایی باید نرخ تکرار خود را چندین مرتبه افزایش دهند.

محققان در آزمایشگاه DESY در آلمان، برای اینکه بفهمند این شتاب‌دهنده‌ها با چه سرعتی اصولاً می‌توانند کار کنند، مدت زمانی را که یک پلاسما طول می‌کشد تا حالت اولیه خود را پس از عبور یک پرتو ذرات با سرعت بالا، یک میدان بیداری در آن ایجاد کند، اندازه‌گیری کرده‌اند. نتیجه آنها: چند ده نانوثانیه - به اندازه کافی کوتاه برای برآوردن فرکانس های مگاهرتز مورد نیاز برای سخت ترین برخورد دهنده های ذرات و منابع نور (Nature, doi: 10.1038/s41586-021-04348-8).

شتاب دهنده در حال ظهور

شتاب‌دهنده‌های ویک‌فیلد پلاسما می‌توانند با شلیک پالس‌های لیزری بسیار شدید یا دسته‌های ذرات به داخل پلاسما و ایجاد نوسانات در الکترون‌های پلاسما در پشت آنها، گرادیان‌های میدان الکتریکی تا چندین گیگا ولت بر متر ایجاد کنند. ذرات باردار یا از داخل خود پلاسما یا تزریق شده از خارج می توانند مانند موج سواران روی موج آب در این مسیر حرکت کنند تا انرژی های بسیار بالایی را تنها در چند سانتی متر به دست آورند (به «گشت و گذار در ویکفیلد»، OPN، فوریه 2022 مراجعه کنید).

این شیب‌ها بسیار بالاتر از آن‌هایی هستند که در شتاب‌دهنده‌های معمولی مبتنی بر حفره‌های فرکانس رادیویی (RF) که سطوح آن‌ها بیش از یک قدرت میدان مشخص شروع به شکستن می‌کنند، بسیار بالاتر است. به این ترتیب، دانشمندان در تلاش برای توسعه شتاب‌دهنده‌های مبتنی بر پلاسما برای برخورددهنده‌های ذرات باریک (مانند نسل بعدی ماشین‌های الکترون-پوزیترون)، و برای استفاده از لیزرهای الکترون آزاد (FELs) برای استفاده در تحقیقات، صنعت و پزشکی هستند. و به طور بالقوه می تواند در محوطه دانشگاه ها یا بیمارستان های فردی مستقر شود.

با این حال، میزان تکرار همچنان یک مانع بزرگ است. درخشندگی لازم برخورددهنده های ذرات و درخشندگی FEL ها مستلزم آن است که پالس های لیزری یا دسته های ذرات محرک یک شتاب دهنده پلاسما هزاران یا حتی میلیون ها بار در ثانیه تولید شوند. در مقابل، دستگاه‌های wakefield که تا به امروز توسعه یافته‌اند، معمولاً بیش از چند هرتز کار نمی‌کنند.

شلیک دسته های الکترونی

در آخرین کار، محققان مستقر در آلمان و بریتانیا، به رهبری ریچارد دارسی و ینس اوسترهوف در DESY، تصمیم گرفتند تا مشخص کنند که ذرات محرک میدان بیداری تا چه مدت پلاسما را مختل می کنند. برخلاف امواج الکترومغناطیسی با عمر طولانی در یک حفره RF، میدان ویکفیلد پلاسما تنها پس از چند نوسان از بین می‌رود و بنابراین باید برای هر دسته ذرات شتاب‌دار جدید دوباره ایجاد شود. بنابراین زمان مورد نیاز برای بازگرداندن پلاسما به حالت اولیه خود، حد بالایی را بر نرخ تکرار شتاب دهنده تحمیل می کند.

شتاب دهنده های پلاسما

شتاب دهنده های پلاسما

شتاب دهنده های پلاسما میدان های الکتریکی را ده هزار برابر شدیدتر از شتاب دهنده های معمولی ارائه می دهند. ذرات می توانند در این زمینه ها حرکت کرده و در یک شتاب دهنده پلاسما به اندازه سانتی متر به انرژی برسند که در غیر این صورت در یک دستگاه معمولی به صدها متر نیاز است.

شتاب لیزر - ویک فیلد

معرفی

شتاب شتاب لیزری - بیدار (LWFA) روشی برای تولید پرتوهای الکترون پرانرژی با استفاده از ساختار میدان شتاب دهنده تولید شده در پی انتشار لیزر پالس فوق العاده کوتاه با قدرت بالا و از طریق پلاسمای کم تراکم است. در طول شتاب میدان ، دسته ای از الکترون بر روی موج الکتریکی تولید شده توسط فشار نور یک پالس شدید لیزر "گشت و گذار" می کند.