تصویری از یک جفت کاوشگر-دسته در حال نمونه برداری از پلاسمای مختل شده توسط دسته اصلی

برای این کار، محققان از شتاب دهنده خطی ابررسانا در تاسیسات FLASH DESY استفاده کردند. این دستگاه عمدتاً به عنوان منبع الکترون برای لیزر الکترون آزاد در طول موج‌های نرم پرتو ایکس استفاده می‌شود، اما برخی از خروجی‌های آن در عوض توسط یک خط پرتو به نام FLASHForward که یک سلول پلاسما را برای مطالعات میدان بیداری پلاسمایی مبتنی بر پرتو در خود جای داده است، استفاده می‌شود. آزمایش.

آزمایش در این مورد شامل یونیزه کردن یک لوله مویین پر از گاز آرگون و سپس شلیک سه دسته الکترون به داخل پلاسمای حاصل بود. ایده این بود که تأثیر میدان بیداری ایجاد شده توسط دسته اول را بر روی دو دسته آخر، با فاصله نزدیک، اندازه گیری کنیم. با جلوتر بودن دسته پیشرو، تأثیر آن بر پلاسما قبل از عبور دو دسته دیگر از بین می‌رود. در غیر این صورت اغتشاش آن بر توانایی دسته دوم برای شتاب بخشیدن به دسته سوم با میدان بیداری خاص خود تأثیر می گذارد.

کشف حداکثر میزان تکرار

D'Arcy، Osterhoff و همکارانش از عملیات فرکانس بالا FLASH برای تغییر دقیق تاخیر بین دسته ها استفاده کردند و سپس از یک آهنربای دوقطبی جلوتر از صفحه سوسوزن برای اندازه گیری توزیع فضایی و طیف انرژی هر سه دسته در حین بیرون آمدن از مویرگ استفاده کردند. لوله آن‌ها دریافتند که طیف و چگالی بار دسته‌های دنباله‌دار تا زمانی که حداقل 63 ns از دسته اصلی عقب باشند، در زمان ثابت می‌مانند. در مقابل، هنگامی که آنها نزدیکتر شدند، پارامترهای اندازه گیری شده آنها شروع به نوسان کرد.

با مقایسه این نتایج تجربی با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری کانال پلاسما، محققان به این نتیجه رسیدند که این تأخیر نشان‌دهنده زمان مورد نیاز برای بازگشت پلاسما به حالت اولیه‌اش پس از اختلال در پالس پیشرو است. این به معنای حداکثر سرعت تکرار در حدود 15 مگاهرتز است، که به گفته آنها، به طور بالقوه یک دستگاه پلاسما را قادر می‌سازد تا به انتهای یک شتاب‌دهنده با سرعت بالای تکرار موجود اضافه شود تا انرژی شتاب‌دهنده دومی افزایش یابد.

با این حال، همانطور که محققان اشاره می‌کنند، این حد بالای نظری لزوماً به معنی نرخ تکرار بالا در عمل نیست. هر دو شتاب دهنده پلاسمای لیزری و ذرات محور به طور بالقوه توسط گرمای تولید شده به عنوان الکترون های درون پلاسما به دیواره های لوله مویین انرژی محدود می شوند. این گرما می تواند بر روند شتاب تأثیر بگذارد و همچنین به لوله آسیب برساند.

تعیین میزان چنین اثرات گرمایی یکی از اهداف آزمایش‌های آینده خواهد بود که توسط محققان FLASHForward انجام می‌شود. D'Arcy می گوید، آنها همچنین قصد دارند بررسی کنند که چگونه می توان کیفیت پرتوهای ذرات ورودی را حفظ کرد و همچنین اطمینان حاصل کرد که فرآیند شتاب تا حد ممکن از نظر انرژی کارآمد است - هر دو "هدف اساسی"، اگر فناوری پلاسما می خواهد کاربرد معنی داری پیدا کند. در منابع نوری آینده و برخورد دهنده های ذرات.

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.

هدایت حرارتی کاوشگر لیزری در خوشه‌های کهکشانی

سمت چپ: عکس هدف دینام متلاطم مستقر در تأسیسات احتراق ملی (NIF). هدف آزمایشی شامل دو فویل و یک جفت شبکه است که توسط سپرهای استوانه‌ای در کنار هم نگه داشته می‌شوند. هر هدف تقریباً به اندازه یک پنی است. سمت راست: تصویر پرتو ایکس از پلاسمای آشفته تولید شده در آزمایش‌ها، که در 28 ns پس از شلیک لیزر گرفته شده است. پلاسمای داغ پرتوهای ایکس نرمی ساطع می‌کند که محققان را قادر می‌سازد ویژگی‌های جریان آشفته را مشخص کنند و نوسانات دمای الکترون را که سرکوب شدید انتقال گرما را آشکار می‌کند، اندازه‌گیری کنند.

پلاسمای داغ، متلاطم و ضعیف، خوشه‌های کهکشانی غول‌پیکری را پر می‌کند که در مناطق بزرگی از کیهان امتداد دارند، اما دانشمندان هنوز نمی‌دانند چنین مناطقی چگونه گرمای خود را حفظ می‌کنند. یک تیم بین المللی از محققان بخشی از قدرتمندترین تاسیسات لیزری جهان را برای بازسازی شرایط شدید درون این خوشه ها به کار گرفتند.

با تولید یک میدان پلاسمایی کوچک اما متلاطم در مرکز مرکز احتراق ملی (NIF)، ایالات متحده، دانشمندان دریافتند که انتقال گرما در داخل پلاسما بسیار کمتر از حد انتظار است (Sci. Adv., doi: 10.1126/sciadv.abj6799) . محققان کشف کردند که الکترون‌های درون پلاسما در امتداد خطوط میدان مغناطیسی درهم‌پیچیده به جای برخورد با یکدیگر حرکت می‌کنند، بنابراین گرما بدون فرار باقی می‌ماند.

کاوش در شرایط اخترفیزیکی

بر اساس وب سایت آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور که NIF را در خود جای داده است، اگرچه اشتعال همجوشی هیدروژنی هدف اصلی NIF است، اخترفیزیکدانان همچنین می توانند با سیستم لیزر زمان آزمایشی برای کشف فیزیک پلاسماهای موجود در ستاره ها و سایر اجرام نجومی داشته باشند.

NIF دارای 192 لیزر شیشه ای فسفات قدرتمند است که با شلیک با هم، تا 2 مگا ژول انرژی متمرکز روی یک هدف کوچک تولید می کنند. با این حال، به گفته جیانلوکا گرگوری، محقق اصلی آزمایش خوشه کهکشانی، ماکت پلاسما تنها به کمی بیش از نیمی از زرادخانه لیزر NIF نیاز داشت. گرگوری، استاد فیزیک توضیح می‌دهد: «NIF برای استفاده از تمام 192 پرتو برای آزمایش‌های همجوشی طراحی شده است - اما آزمایش ما از جهت‌گیری هدف متفاوتی استفاده می‌کند و بنابراین همه پرتوها دید واضحی از فویل‌ها (یا کپسولی) ندارند که می‌خواهیم آنها را روشن کنیم. در دانشگاه آکسفورد انگلستان

دستگاهی که عمل پلاسما در آن انجام شد شامل دو دیسک نازک بود که توسط دو شبکه پلاستیکی و یک کپسول پر از گاز متصل شده بودند. محققان این دو دیسک را با 96 پرتو لیزر 351 نانومتری با فرکانس سه برابری منفجر کردند. شبکه‌ها با سیم‌های 300 میکرومتری با فاصله 300 میکرومتر از هم، آشفتگی را در داخل کپسول ایجاد کردند.

پس از پر کردن کپسول با مخلوطی از گازهای دوتریوم و هلیوم-3، دانشمندان با 60 پرتو لیزری با فرکانس سه برابری به آن برخورد کردند که حدود 43 کیلوژول را تنها در 900 ps ارسال می کرد. چهار پرتوی لیزر دیگر به عنوان یک کاوشگر پراکنده نوری تامسون برای اندازه‌گیری چگالی الکترون متوسط ​​در پلاسمای ایجاد شده به طور مختصر عمل کردند. (در برخی از آزمایش‌های آزمایشی، تیم آن کاوشگر را با یک سیستم پراکنده برگشتی جایگزین کرد که نور منعکس شده از آن چهار پرتو را اندازه‌گیری کرد تا سرعت آشفته در پلاسما را کمی‌سازی کند.)

گرگوری می‌گوید: اگرچه محققان قبلاً از تأسیسات لیزر OMEGA در دانشگاه روچستر ایالات متحده استفاده کرده بودند، گرگوری می‌گوید که این گروه به انرژی مورد نیاز NIF برای تولید سرعت‌های الکترونی بزرگ که منجر به تلاطم شدید و میدان‌های مغناطیسی در پلاسما می‌شود، نیاز داشتند. دانشمندان از FLASH، یک بسته محاسباتی از روچستر، برای طراحی پیکربندی آزمایشی و تفسیر نتایج استفاده کردند.

با وجود تفاوت‌های بزرگ در مقیاس بین یک خوشه کهکشانی و یک کپسول با قطر 860 میکرومتر، گرگوری مطمئن است که میکروفیزیک هر دو مشابه است. او می‌گوید: «عامل مهم در اینجا، نسبت مسیر آزاد میانگین برخورد به شعاع لارمور است. اولی فاصله بین دو برخورد است و دومی مدار دایره ای است که یک الکترون به دور یک خط میدان مغناطیسی می کند.

گرگوری می‌گوید در هر دو خوشه کهکشانی و در مرکز NIF، این نسبت بزرگ است - به این معنی که الکترون‌ها در اطراف خطوط میدان حرکت می‌کنند و با هم برخورد نمی‌کنند. از آنجایی که الکترون ها با هم برخورد نمی کنند، گرما را نیز به خوبی هدایت نمی کنند.

شبیه سازی های چند ماهه

به گفته گرگوری، تیم از زمان افتتاح NIF در سال 2010 روی این آزمایش‌ها کار کرده است. تیم گرگوری به دنبال زمان NIF بیشتری است تا بفهمد ذرات پرانرژی مانند پرتوهای کیهانی چگونه در پلاسمای داغ و پراکنده عمل می کنند.

این تیم شامل دانشمندانی از دانشگاه های شیکاگو، روچستر، پرینستون و استنفورد، ایالات متحده است. آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور؛ و از بریتانیا، فرانسه، آلمان و جمهوری کره.

لیزر پمپ شده هسته ای

لیزر پمپ شده هسته ای لیزری است که با انرژی قطعات شکافت پمپ می شود. محیط لیزر در لوله ای پوشانده شده با اورانیوم 235 محصور شده و در هسته راکتور هسته ای تحت شار نوترون زیاد قرار می گیرد. قطعات شکافتی اورانیوم با جمعیت معکوس سطح انرژی ، پلاسمای هیجان زده ایجاد می کند و سپس لز می شود. روش های دیگر ، به عنوان مثال لیزر He-Ar می تواند از واکنش He (n، p) H ، تغییر شکل هلیوم -3 در شار نوترون ، به عنوان منبع انرژی یا استفاده از انرژی ذرات آلفا استفاده کند.

 

فناوری جدید لیزر برای درمان دقیق تر سرطان

تیم تام کووان کوچکتر از این فکر می کنند ، اما تأثیر زیادی دارند. شتاب دهنده های ذرات یک ابزار تحقیقاتی مهم در زرادخانه یک فیزیکدان با انرژی بالا هستند ، اما فضای زیادی را اشغال می کنند - مایل ها و مایل ها از آن. اما در دانشگاه نوادا ، رینو ، کوچکتر بهتر است.

Cowan ، مدیر تسهیلات نوادا Terawatt در دانشگاه و شرکای تحقیقاتی وی پرتوی پروتون تولید کرده اند که کیفیت 100 برابر بیشتر از هر نوع شتاب دهنده ذرات معمولی دارد و روی یک میز قرار می گیرد.

لیزر و فیزیک پلاسما

دروس تخصصی گرایش اتمی و مولکولی کارشناسی ارشد فیزیک

دروس تخصصی گرایش اتمی و مولکولی کارشناسی ارشد فیزیک

ردیف نام درس تعداد واحد پیشنیاز

لیزر و فیزیک پلاسما