Hoe verkennen onderzoekers de natuur op het meest fundamentele niveau? Ze bouwen "supermicroscopen" die atomaire en subatomaire details kunnen oplossen. Dit werkt niet met zichtbaar licht, maar ze kunnen de kleinste dimensies van materie onderzoeken met elektronenbundels, ofwel door ze rechtstreeks in deeltjesversnellers te gebruiken of door hun energie om te zetten in heldere röntgenstralen in röntgenlasers. De kern van dergelijke wetenschappelijke ontdekkingsmachines zijn deeltjesversnellers die eerst elektronen genereren bij een bron en vervolgens hun energie opvoeren in een reeks versnellerholten.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, heeft een potentieel veel helderdere elektronenbron aangetoond op basis van plasma die kan worden gebruikt in compactere, krachtigere deeltjesversnellers.

De methode, waarin de elektronen voor de bundel worden vrijgegeven van neutrale atomen in het plasma, wordt de Trojaanse paardtechniek genoemd omdat het doet denken aan de manier waarop de oude Grieken de stad Troje zijn binnengevallen door hun krachtige soldaten (elektronen) in een houten paard (plasma) te verbergen, die vervolgens de stad in werd getrokken (versneller).

"Ons experiment laat voor het eerst zien dat de Trojaanse paard-methode echt werkt, " zegt Bernhard Hidding van de Universiteit van Strathclyde in Glasgow, Schotland, de hoofdonderzoeker van een studie die vandaag is gepubliceerd in Natuurfysica . "Het is een van de meest veelbelovende methoden voor toekomstige elektronenbronnen en zou de grenzen van de huidige technologie kunnen verleggen."

Metaal vervangen door plasma

In de huidige state-of-the-art versnellers, elektronen worden gegenereerd door laserlicht op een metalen fotokathode te laten schijnen, die elektronen uit het metaal schopt. Deze elektronen worden vervolgens versneld in metalen holtes, waar ze steeds meer energie uit een radiofrequentieveld halen, resulterend in een hoogenergetische elektronenbundel. Bij röntgenlasers, zoals SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS), de straal drijft de productie van extreem helder röntgenlicht aan.

Maar metalen holtes kunnen slechts een beperkte energiewinst over een bepaalde afstand ondersteunen, of versnellingsgradiënt, voordat het kapot gaat, en daardoor worden versnellers voor hoogenergetische bundels erg groot en duur. In recente jaren, wetenschappers van SLAC en elders hebben gekeken naar manieren om versnellers compacter te maken. Ze demonstreerden, bijvoorbeeld, dat ze metalen holtes kunnen vervangen door plasma dat veel hogere versnellingsgradiënten mogelijk maakt, mogelijk de lengte van toekomstige versnellers verkleinen tot 100 tot 1, 000 keer.

Het nieuwe artikel breidt het plasmaconcept uit tot de elektronenbron van een versneller.

"We hebben eerder aangetoond dat plasmaversnelling extreem krachtig en efficiënt kan zijn, maar we zijn er nog niet in geslaagd om balken te produceren met een kwaliteit die hoog genoeg is voor toekomstige toepassingen, ", zegt co-auteur Mark Hogan van SLAC. "Het verbeteren van de bundelkwaliteit is een topprioriteit voor de komende jaren, en het ontwikkelen van nieuwe soorten elektronenbronnen is daar een belangrijk onderdeel van."

Volgens eerdere berekeningen van Hidding en collega's, de Trojaanse paardtechniek zou elektronenbundels van 100 tot 10 kunnen maken, 000 keer helderder dan de krachtigste stralen van vandaag. Helderdere elektronenstralen zouden toekomstige röntgenlasers ook helderder maken en hun wetenschappelijke mogelijkheden verder vergroten.

"Als we de twee belangrijkste stoten kunnen combineren - hoge versnellingsgradiënten in plasma en bundelcreatie in plasma - zouden we röntgenlasers kunnen bouwen die hetzelfde vermogen ontplooien over een afstand van een paar meter in plaats van kilometers, " zegt co-auteur James Rosenzweig, de hoofdonderzoeker van het Trojaanse paard-project aan de Universiteit van Californië, Los Angeles.

Superieure elektronenstralen produceren

De onderzoekers voerden hun experiment uit bij SLAC's Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET). De faciliteit, die momenteel een grote upgrade ondergaat, genereert pulsen van zeer energetische elektronen voor onderzoek naar versnellingstechnologieën van de volgende generatie, inclusief plasmaversnelling.

Eerst, het team flitste laserlicht in een mengsel van waterstof en heliumgas. Het licht had net genoeg energie om elektronen van waterstof te strippen, het omzetten van neutrale waterstof in plasma. Het was niet energiek genoeg om hetzelfde te doen met helium, Hoewel, waarvan de elektronen strakker gebonden zijn dan die voor waterstof, dus het bleef neutraal in het plasma.

Vervolgens, de wetenschappers stuurden een van FACET's elektronenbundels door het plasma, waar het een plasmagolf produceerde, net zoals een motorboot een kielzog creëert wanneer hij door het water glijdt. Slepende elektronen kunnen door het kielzog "surfen" en enorme hoeveelheden energie winnen.

Meer R&D-werk in het verschiet

Maar voordat toepassingen zoals compacte röntgenlasers werkelijkheid konden worden, veel meer onderzoek moet worden gedaan.

Volgende, de onderzoekers willen de kwaliteit en stabiliteit van hun bundel verbeteren en werken aan betere diagnostiek waarmee ze de werkelijke bundelhelderheid kunnen meten, in plaats van het te schatten.

Deze ontwikkelingen zullen worden gedaan zodra de FACET-upgrade, FACET-II, is voltooid. "Het experiment is gebaseerd op het vermogen om een ​​sterke elektronenstraal te gebruiken om het plasma-zog te produceren, " zegt Vitaly Yakimenko, directeur van de FACET-divisie van SLAC. "FACET-II zal de enige plaats ter wereld zijn die dergelijke stralen zal produceren met een voldoende hoge intensiteit en energie."

In dit onderzoek, de slepende elektronen kwamen uit het plasma (zie animatie hierboven en film hieronder). Net toen de elektronenbundel en zijn kielzog voorbijgingen, de onderzoekers zapten het helium met een seconde in het plasma, strak gerichte laserflits. Deze keer had de lichtpuls genoeg energie om elektronen uit de heliumatomen te schoppen, en de elektronen werden vervolgens versneld in het kielzog.

De synchronisatie tussen de elektronenbundel, haasten door het plasma met bijna de snelheid van het licht, en de laserflits, die slechts een paar miljoenste van een miljardste van een seconde duurt, was bijzonder belangrijk en uitdagend, zegt UCLA's Aihua Deng, een van de hoofdauteurs van het onderzoek:"Als de flits te vroeg komt, de elektronen die het produceert zullen de vorming van het plasmakielzog verstoren. Als het te laat komt, het plasma-wake is verder gegaan en de elektronen zullen niet worden versneld."

De onderzoekers schatten dat de helderheid van de elektronenbundel die wordt verkregen met de Trojaanse paard-methode al kan concurreren met de helderheid van bestaande state-of-the-art elektronenbronnen.

"Wat onze techniek transformerend maakt, is de manier waarop de elektronen worden geproduceerd, " zegt Oliver Karger, de andere hoofdauteur, die aan de universiteit van Hamburg was, Duitsland, op het moment van de studie. Wanneer de elektronen van het helium worden gestript, ze worden snel versneld in de voorwaartse richting, waardoor de bundel nauw wordt gebundeld en een voorwaarde is voor helderdere bundels.