Een opmerkelijk raadsel over wat er met de laserenergie gebeurt nadat stralen in plasma zijn afgevuurd, is opgelost in nieuw gepubliceerd onderzoek aan de Universiteit van Strathclyde.

De studie ontdekte dat dezelfde krachten die een bel in plasma produceren in de laser-plasma wakefield-versneller twee extra laag-energetische maar hoog-geladen elektronenbundels produceren, gelijktijdig met een laag-geladen hoog-energetische bundel. Deze hoge-ladingsbundels kunnen duizend keer meer lading hebben dan de hoge-energiebundel.

Plasma, de staat waarin bijna het hele universum bestaat, kan elektrische velden ondersteunen die 1 zijn 000 tot 10, 000 keer hoger dan in conventionele versnellers, simpelweg door de positief en negatief geladen deeltjes waaruit het plasmamedium bestaat te scheiden, die quasi-neutraal is.

Dit kan eenvoudig worden bereikt met behulp van een intense laserpuls, waarvan de lichte druk elektronen uit de weg duwt, waardoor de veel zwaardere ionen achterblijven die op hun plaats blijven en een aantrekkingskracht uitoefenen op de verplaatste elektronen. De verplaatste elektronen oscilleren vervolgens rond de stationaire ionen, wat resulteert in een zog achter de laserpuls, op een vergelijkbare manier als het kielzog achter een boot.

Omdat de laserpuls reist met een snelheid die dicht bij die van licht in vacuüm ligt, het kielzog kan geladen deeltjes snel volgen en versnellen tot zeer hoge energieën, over extreem korte lengtes.

Het onderzoeksrapport, getiteld Drie elektronenbundels van een laser-plasma wake?eld-versneller en de vraag over de verdeling van energie, is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Professor Dino Jaroszynski, van Strathclyde's Department of Physics, leidde de studie. Hij zei:"De intense laserpuls die we gebruikten, en de versnelling van het kielzog dat het creëert, leiden tot een zeer compacte laser-wakefield-versneller, die millimeters lang is, in plaats van tientallen meters lang, voor een gelijkwaardige conventionele versneller. Het plasma-kielzog vormt iets als een belvormig, laseraangedreven miniatuur Van de Graaf-versneller, die met bijna de lichtsnelheid reist.

"Een deel van de laserenergie wordt omgezet in elektrostatische energie van de plasmabel, die een diameter heeft van enkele microns. Conventionele versnellers slaan hun microgolfenergie op in koperen of supergeleidende holtes, die een beperkt vermogen hebben.

"Een interessant raadsel dat nog niet eerder is overwogen, is de vraag waar laserenergie naartoe gaat nadat het in plasma is afgezet. We weten waar een deel van deze energie naartoe gaat vanwege de aanwezigheid van hoogenergetische elektronen die worden uitgezonden in een smalle, voorwaarts gerichte straal.

"Een van deze stralen wordt uitgezonden door een katapultactie in een brede naar voren gerichte kegel, met verschillende MeV (mega-elektronvolt) energieën en lading op nanocoulomb-niveau. Paradoxaal genoeg, een andere straal wordt in achterwaartse richting uitgezonden, die een vergelijkbare lading heeft, maar een energie van ongeveer 200 keV (kilo-elektronvolt). Deze stralen voeren een aanzienlijke hoeveelheid energie af van de plasmabel.

"Het is interessant om te zien dat het beantwoorden van een zeer fundamentele vraag - waar gaat de laserenergie naartoe? - verrassende en paradoxale antwoorden oplevert. De introductie van een nieuwe technologie, zoals de laser-wakefield-versneller, kan de manier waarop we over versnellers denken veranderen. Het resultaat is een zeer nieuwe bron van verschillende bundels van ladingsdeeltjes die tegelijkertijd worden uitgezonden.

"Mijn onderzoeksgroep heeft aangetoond dat de wakefield-versneller drie stralen produceert, waarvan twee lage energie en hoge lading, en de derde, hoge energie en lage lading."

Dr. Enrico Brunetti, een Research Fellow in Strathclyde's Department of Physics en een lid van de onderzoeksgroep, zei:"Deze bundels kunnen een bruikbare hoge flux van elektronen of remstraling van fotonen over een groot gebied leveren, die kunnen worden gebruikt voor beeldverwerkingstoepassingen, of voor het onderzoeken van stralingsschade in materialen. Indien niet goed gedumpt, ze kunnen, echter, ongewenste bijwerkingen hebben, zoals het veroorzaken van schade aan apparatuur die dicht bij het gaspedaal is geplaatst.

"Dit is met name een punt van zorg voor langere versnellers, die vaak plasmagolfgeleiders gebruiken op basis van capillairen om de laserstraal over lange afstanden te geleiden. Deze lage energie, hoge ladingsbundels voeren ook een grote hoeveelheid energie weg van het plasma, een limiet stellen aan de efficiëntie van laser-wakefield-versnellers.

"Dit is een probleem waarmee rekening moet worden gehouden bij het toekomstige ontwerp en de constructie van laser-wakefield-versnellers."