نوع جدید شتاب دهنده ذرات پلاسما مینیاتوری

یک شتاب دهنده ذرات مبتنی بر پلاسما با استفاده از نسخه کوچک شده مفهومی که تاکنون فقط در تعداد کمی از امکانات بزرگ در سراسر جهان امکان پذیر بود ، تحقق یافته است.

یک همکاری بین المللی ، شامل دانشگاه استراتکلاید ، دو نوع شتاب دهنده پلاسما را با هم ترکیب کرد تا به انرژی سریع الکترون در چند میلی متر برسد.

شتاب دهنده می تواند یک منبع فشرده از پرتوهای الکترونی با کیفیت بالا برای برنامه هایی مانند تولید اشعه ایکس ، علوم مواد و تحقیقات پزشکی ارائه دهد.

این تحقیق بر اساس مفهومی استوار است که قبلا توسط یکی از محققان استراتکلاید ، پروفسور برنهارد هیدینگ ارائه شده بود. این در مجله Nature Communications منتشر شده است.

شتاب دهنده های ذرات در پشت برخی از چشمگیرترین اکتشافات علمی قرار دارند و به همین دلیل شناخته شده است که ماده از اتم تشکیل شده است و به نوبه خود ، اتم ها از الکترون با یون های دارای بار مثبت تشکیل شده اند.

این الکترونها و یونها نه تنها عناصر اصلی سازنده ماده هستند بلکه می توانند برای تحقق بخشیدن به شتاب دهنده های ذرات قدرتمند مورد استفاده قرار گیرند. با جداسازی گذرا الکترونهای با بار منفی و یونهای دارای بار مثبت ، نوسانات موج پلاسما می تواند تحریک شود. در دستگاه هایی که به عنوان شتاب دهنده های ویک فیلد لیزری (LWFA) شناخته می شوند ، موج پلاسما توسط یک پالس شدید لیزر هدایت می شود.

الکترونها را می توان به این امواج پلاسما تزریق کرد و سپس روی امواج پلاسما "گشت و گذار" کرد تا اینکه با موج از فاز خارج می شوند. این سناریو کیفیت ، و افزایش سریع انرژی الکترونهای تزریقی را محدود می کند. در مقابل ، با استفاده از یک پرتو الکترونی شدید به عنوان محرک موج پلاسما ، روشی که به PWFA معروف است ، یک موج پلاسما ایجاد می کند که الکترونهای تزریقی می توانند بدون حذف فاز حرکت کنند.

این مفهوم که 10 سال پیش توسط پروفسور هیدینگ و دیگران پیشنهاد شد ، استفاده از پرتو الکترونی شدید تولید شده توسط LWFA و سپس استفاده از این پرتو الکترون برای هدایت یک مرحله PWFA متصل به طور جداگانه است. این مفهوم "هیبریدی و شتاب دهنده بیدارسازی پلاسما" در سالهای اخیر توسط همکاری اروپا با محققان استراتکلاید و موسسات شریک در آلمان و فرانسه ساخته شده است.

در دو آزمایش مکمل در HZDR درسدن و LMU مونیخ ، این همکاری انعطاف پذیری و پتانسیل روش را نشان داد. آزمایش ها نشان می دهد که پرتو الکترون تولید شده در مراحل LWFA که به طور ویژه طراحی شده اند ، می توانند در یک مرحله PWFA متصل اما جدا شده ، تغذیه شوند ، جایی که یک موج پلاسمای قوی را هدایت می کند. یک پرتوی الکترون تزریق شده با پلاسما می تواند در اینجا پس از تسریع انجام شود ، و بنابراین یک افزایش انرژی دریافت می کند.

توماس هاینمن ، دانشجوی دکترای Strathclyde و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه ، گفت: "شتاب دهنده بیدار ویک پلاسمای جمع و جور و هیبریدی ما می تواند به عنوان سکویی برای کشف و توسعه فیزیک کلیدی ویک ویدل پلاسما ، مانند تقویت انرژی ، دینامیک بیدارسازی و روش های تزریق جدید. به جای اینکه منحصراً محدود به آزمایشهای خارج از کشور در تأسیسات بزرگ با اشعه محدود و دسترسی محدود باشیم ، اکنون می توانیم این مسائل را در خانه ، در رژیمهای پارامتر مکمل نیز مطالعه کنیم. "

پروفسور هیدینگ گفت: "یکی از جنبه های جالب توجه ، همگام سازی خودکار پرتوهای لیزر و الکترون است. این می تواند در مراحل بعدی تحقق فتوکاتد فشرده پلاسما را برای تولید پرتو الکترونی فوق سبک فراهم کند. " چنین پرتوهای الکترونی فوق سبک دارای پتانسیل تحول آفرینی هستند - به عنوان مثال ، برای هدایت لیزرهای الکترون آزاد با اشعه ایکس فوق العاده فشرده و در عین حال با کارایی بالا.

پلت فرم هیبریدی پلاسما و برنامه های کاربردی را می توان در آینده در انگلستان در SCAPA ، مرکز اسکاتلندی برای استفاده از شتاب دهنده های مبتنی بر پلاسما ، که Strathclyde یکی از شرکای آن است ، و EPAC ، مرکز کاربردهای Exton Photonics ، تحقق بخشید.

شرکای این تحقیق عبارتند از: هلمولتز-زنتروم درسدن-روزندورف. Technische Universität Dresden؛ DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY) ، هامبورگ ؛ موسسه Cockcroft ، Warrington ؛ Ludwig – Maximilians – Universität München؛ Max Planck Institut für Quantenoptik، Garching؛ LOA ، ENSTA پاریس ؛ CNRS / Ecole Polytechnique ؛ انستیتو پلی تکنیک پاریس و CASUS (مرکز درک سیستم های پیشرفته) گورلیتز. آلمان

بخش تحقیقاتی انگلیس توسط شورای تحقیقات اروپا ، از طریق پروژه NeXource ، شورای تسهیلات علوم و فناوری ، از طریق پروژه PWFA-FEL و توسط موسسه Cockcroft و شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی تأمین شد.