'S Werelds allernieuwste deeltjesversnellers duwen de extremen in hoge-helderheidsstralen en ultrakorte pulsen om materie op nieuwe manieren te verkennen.

Om hun prestaties te optimaliseren - en om zich voor te bereiden op faciliteiten van de volgende generatie die deze uitersten verder zullen duwen - hebben wetenschappers een nieuw instrument ontwikkeld dat kan meten hoe helder deze stralen zijn, zelfs voor pulsen die slechts femtoseconden (quadrillionste van een seconde) of attoseconden (quintiljoenste van een seconde) duren. Het vergelijken van 1 attoseconde met 1 seconde is als het vergelijken van 1 seconde met 31,7 miljard jaar.

Deze tool kan ook bundelgroottes meten tot op enkele tientallen nanometers (miljardsten van een meter) - zonder experimenten die op deze bundels vertrouwen te verstoren.

Het nieuwe gereedschap, genaamd een "ladingsdichtheidsmonitor, " zou ook nauwkeurigere metingen van fundamentele fysica kunnen bieden in experimenten met hoge energie en hoge veldbundels, en helpen bij het begeleiden van R&D-inspanningen die tot doel hebben de omvang en kosten van deeltjesversneller- en versnellerfaciliteiten te verkleinen en tegelijkertijd hun capaciteiten op te voeren.

Het onderzoek dat gebruik maakt van deze voorgestelde diagnostiek kan ook van invloed zijn op disciplines variërend van plasmawetenschap tot atoomfysica, en zou kunnen leiden tot nieuwe toepassingen en nieuwe natuurkunde onthullen.

In het Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center van het Amerikaanse Department of Energy, onderzoekers hopen deze tool te testen door deeltjeseigenschappen te meten in de nasleep van een intense laserstraal die door een gasstraal boort. Daarbij, ze hopen meer te weten te komen over de elektronenstraalpuls die uit deze interactie voortkomt.

"BELLA biedt een ideaal testbed voor het evalueren van het potentieel van de bundelmeetmethode bij een ultramoderne geavanceerde versneller, omdat we met onze compacte versnellertechnologie streven naar het produceren van de helderst mogelijke ultrakorte uitbarstingen van elektronen, zei Wim Leemans, directeur van het BELLA Center en de Accelerator Technology &Applied Physics Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

"Het zou een krachtig hulpmiddel zijn voor het meten en verbeteren van BELLA's balken."

Leemans leidde het Berkeley Lab-team van medewerkers als onderdeel van een internationaal team in een technische studie waarin de nieuwe methode werd beschreven, gepubliceerd in het nummer van 10 mei van het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

Roxana Tarkeshian, een onderzoeker aan de Universiteit van Bern en eerder aan het Paul Scherrer Instituut, was de hoofdauteur van de studie en heeft de nieuwe diagnostische methode sinds 2015 nagestreefd. met steun van Thomas Feurer, een professor aan de Universiteit van Bern en een expert in lasertechnologie en ruimtefysica.

"De ultragevoelige metingen met hoge resolutie, en zijn lage kosten en compactheid behoren tot zijn troeven, ' zei Tarkeshian.

De studie geeft aan hoe intense deeltjesbundels door een neutraal gas met lage dichtheid kunnen stromen, het strippen van elektronen van gasatomen door de sterke elektrische velden die gepaard gaan met intense deeltjesbundels. Tijdens het proces vormt zich een geïoniseerde (geladen) wolk van materie die bekend staat als een plasma-bevattende ionen en elektronen.

De "ongekende" resolutie van de techniek voor de duur en grootte van individuele pulsen voor zowel elektronenbundels als positronenbundels heeft betrekking op een effect waarbij kleine veranderingen in de bundelhelderheid van slechts enkele procenten tot tientallen procenten kunnen resulteren in tientallen tot honderden keren meer ionen gegenereerd in aanwezigheid van een elektrisch veld, merkte Tarkeshian op.

Het proces is vergelijkbaar met wat er gebeurt als een zeer intense, gefocusseerde laserstraal of röntgenpuls interageert met een gas en ioniseert de atomen. Maar er zijn belangrijke verschillen in de fysica van dit ionisatieproces voor lichtbundels (fotonen) versus andere soorten deeltjesbundels.

Met lichtstralen, elektronen en ionen (geladen deeltjes) worden geproduceerd in de voetafdruk van de bundel, en de plasma-geassocieerde elektronen hebben een relatief lage snelheid en hebben de neiging om rond de ionenkolom te hangen totdat ze worden weggetrokken door een extern elektrisch veld. Ionen met positieve ladingen drijven dan in de tegenovergestelde richting en kunnen worden gemeten.

Voor elektronen (negatief geladen) of positronen (positief geladen) deeltjesbundels, de vorm van het elektrische veld lijkt op een donut en produceert een ringvormige plasmakolom, zonder dat er aanvankelijk nog ionen in het straalpad waren - het gat van de donut. Deze deeltjesbundels kunnen elektronen een krachtige kick geven, die een ringvormige kolom van ionen kan achterlaten. En die ionen kunnen door een elektrisch veld worden weggeleid naar een detector die het aantal ionen meet, hun snelheid, en hun geladen toestand.

De laatste studie toont aan dat het nieuwe meetinstrument onder de juiste bedrijfsomstandigheden ook meer informatie over de straal zelf uit deze "ionendonut" kan halen - met de juiste dichtheid en mix van gassen, bijvoorbeeld.

Het team voerde geavanceerde simulaties uit met behulp van een door Berkeley Lab verfijnde computercode die bekend staat als WARP en een andere code die bekend staat als VSim. Onderzoekers hebben de interactie van deeltjes- en fotonenbundels met gassen gemodelleerd en de daaruit voortvloeiende plasma-gerelateerde dynamiek.

"Door de simulaties konden we inzoomen op ruimte en tijd - van de centimeterschaal tot de submicrongrootte van de straal, en om de dynamiek en verdelingen van elektronen en ionen op verschillende tijdschalen te volgen, zei Jean-Luc Vay, een senior wetenschapper bij Berkeley Lab die heeft bijgedragen aan de WARP-code en leidt het Accelerator Modeling Program in de ATAP-divisie van het Lab.

Vay merkte op dat aspecten van de code de sleutel bleken te zijn voor het nauwkeurig modelleren en begrijpen van verschillen tussen de effecten van deeltjesbundels versus fotonenbundels, en bij het vinden van de beste manier om het systeem af te stemmen en te bedienen.

Zodra het volledige diagnosesysteem is geïmplementeerd bij acceleratiesystemen, simulaties zullen helpen om de werkelijke metingen in experimenten te controleren en helpen bij het ontwikkelen van een pad voor het optimaliseren van de straalprestaties.

"Kleine veranderingen konden heel precies worden opgelost, " ze zei, gebaseerd op metingen van individuele bundelpulsen.

De voorgestelde techniek opent ook de mogelijkheid om ladings-geïnduceerde dynamiek in materie te bestuderen, en kan meer inzicht geven in tijdschalen van fundamentele atomaire of moleculaire processen die worden bestudeerd met attoseconde fotonpulsen, ze zei, inclusief een eigenschap die bekend staat als kwantumtunneling, waarbij een deeltje spontaan door de potentiële barrière van het atoom kan lijken te "tunnelen", in weerwil van de klassieke fysica.

En Tarkeshian wijst erop dat de voorgestelde diagnose nuttig zou kunnen zijn voor bestaande X-ray free-electron lasers (XFEL's) zoals de Linac Coherent Light Source (LCLS) X-ray FEL bij SLAC National Accelerator Laboratory, de FLASH-faciliteit bij DESY in Duitsland, de SwissFEL aan het Paul Scherrer Instituut (PSI) in Zwitserland, onder andere, en faciliteiten in aanbouw zoals de LCLS-II bij SLAC.

Bijvoorbeeld, een prototype is geïnstalleerd bij LCLS met de steun en bijdragen van SLAC-wetenschapper Patrick Krejcik en een team bij PSI om de ultrakorte, hoogenergetische elektronenbundels geproduceerd door zijn versneller.

Tarkeshian merkte op dat er andere hulpmiddelen zijn ontwikkeld om metingen van versneller- en XFEL-straaleigenschappen te leveren, maar naarmate de pulsen van de bundels meer en meer intensiteit en energie bundelen in kortere en kortere pulsen, er zijn nieuwe tools nodig om gelijke tred te houden met deze extreme balken.

Ze schreef enkele decennia oud werk toe aan een voorgestelde diagnose voor een testversnellerproject bij SLAC, bekend als de Final Focus Test Beam, of FFTB, om de weg vrij te maken voor dit nieuwe ontwerpconcept.

"In ons laatste werk, we hebben niet alleen de concepten bestudeerd, maar hebben ook de uitdagingen aangepakt waarmee deze techniek experimenteel kan worden geconfronteerd, ' zei Tarkeshian.

"Het is geweldig om dit onvoltooide concept van decennia geleden nieuw leven in te blazen met nieuwe ideeën, en met voortdurende steun kunnen we het potentieel ervan realiseren, "voegde ze eraan toe. "Dit is een heel open pad, en we zijn nog maar net begonnen."

Leemans zei, "We denken dat de praktische realisatie van deze innovatieve techniek uiteindelijk van breed belang zal zijn voor de internationale hoge-energiefysica en de algemene door versnellers aangedreven wetenschappelijke gemeenschappen."