Natuurkundigen van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy bedenken nieuwe manieren om elektronen te versnellen tot recordhoge energieën over recordkorte afstanden met een techniek die gebruik maakt van laserpulsen en exotische materie die bekend staat als een plasma. Maar het meten van de eigenschappen van de hoogenergetische elektronenbundels geproduceerd in laser-plasmaversnellingsexperimenten is een uitdaging gebleken, omdat de laser met hoge intensiteit moet worden omgeleid zonder de elektronenstraal te verstoren.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe, compact systeem is met succes gedemonstreerd in het Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center om gelijktijdige metingen met hoge resolutie van meerdere elektronenstraaleigenschappen te bieden.

Het nieuwe systeem maakt gebruik van ultradunne vloeibare kristalfilms, ontwikkeld door Prof. Douglass Schumacher en zijn team aan de Ohio State University, om de laser om te leiden terwijl de elektronenstraal erdoorheen gaat, grotendeels onaangetast. De laser vormt een plasma dat het grootste deel van zijn laserlicht weerkaatst.

Terwijl elke laserpuls de vloeibare kristalfilm vernietigt, vergelijkbaar met een bellenblaasmachine, de vloeibaar-kristalfilm wordt na elke laseropname aangevuld door een roterende schijf en een wisser. De films die door dit apparaat worden gevormd, zijn slechts tientallen nanometers (miljardsten meters) dik, ongeveer een factor 1, 000 dunner dan die in andere aanvulbare plasmaspiegelsystemen die VHS-cassetteband gebruiken, bijvoorbeeld. Deze diktevermindering dient om de eigenschappen van de elektronenbundel te behouden.

De afbuiging van laserlicht weg van de elektronenstraal is essentieel voor het produceren van een nauwkeurige diagnose van de elektronenstraal, merkte Jeroen van Tilborg op, een wetenschappelijk medewerker van het BELLA Center, en het is ook cruciaal voor meertraps laser-plasma versnellingsexperimenten, waarbij de laserpulsen in elke fase worden ververst om een ​​extra "kick" van versnelling voor de elektronenstraal te verschaffen totdat deze de vereiste versnelling bereikt.

De vloeibaar-kristalplasmaspiegel (LCPM) maakt ook het gebruik van een met gas gevulde, 6 centimeter lang sterk scherpstelapparaat voor de elektronenstraal, bekend als een actieve plasmalens.

Deze lens biedt een compact alternatief voor een groot diagnostisch hulpmiddel dat een magnetisch spectrometerapparaat wordt genoemd, die omvangrijke magneten heeft die meer dan een ton wegen en zijn gekoppeld aan een grote voeding.

"We hebben dit kunnen vervangen door dipoolmagneten (tweepolige) ter grootte van een sandwich, " zei Sam Barber, een onderzoekswetenschapper aan het BELLA Center in de divisie Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) van Berkeley Lab. "Laserplasmaversnellers kunnen hoogenergetische elektronen produceren in compacte voetafdrukken, maar er is nog veel dat kan worden gedaan om sommige componenten te verkleinen, inclusief elektronenstraaldiagnostiek."

Hij voegde toe, "Dit is een enorme schaalverkleining. We combineren een petawatt (high-power) laser met ultradunne LCPM's en actieve plasmalenzen - allemaal nieuwe technologieën die onlangs zijn ontwikkeld. We hebben ze alle drie gecombineerd en we hebben een mooie resultaat. We maken grote stappen voorwaarts. Er zijn een hele reeks nieuwe toepassingen waarvoor dit zou kunnen worden gebruikt."

Barber was de hoofdauteur van een onderzoek waarin de prestaties en configuratie van het nieuwe diagnostische hulpmiddel werden beschreven, gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven . Andere onderzoekers van het BELLA Center namen deel aan het onderzoek, te, samen met onderzoekers van UC Berkeley en Ohio State University. De huidige ontwikkelingen werden ondersteund door LaserNetUS, het recent gevormde netwerk van krachtige laserfaciliteiten dat wordt gefinancierd door het DOE Office of Science, Bureau van Fusion Energy Sciences, en Office of High Energy Physics.

Carl Schröder, een senior wetenschapper van Berkeley Lab die adjunct-directeur is van het BELLA Center, zei dat naast zijn compactheid, de nieuwe diagnostische techniek kan meerdere elektronenbundeleigenschappen tegelijk verzamelen, inclusief de gedetailleerde energieverdeling van de elektronenstraal en de emittantie van de straal, op een enkelvoudige basis. Uitstraling is een kritische eigenschap van een elektronenbundel die bepaalt hoe strak de bundel kan worden gefocusseerd. Een lage emittantie betekent dat de straal tot op een zeer kleine plek kan worden gefocusseerd, cruciaal voor de meeste versnellertoepassingen zoals versnellers en vrije-elektronenlasers.

"Typisch, dit zijn multishot diagnostiek, " hij zei, die het gemiddelde nemen van de metingen van verschillende bundelpulsen, maar niet puls-voor-puls meten - zoals de nieuwe techniek doet.

In de gedemonstreerde opstelling, een laser wordt gefocusseerd in een gascel, waar het een plasma creëert en ermee in wisselwerking staat, het genereren en versnellen van een elektronenbundel. Na het passeren van deze cel, de gecombineerde laserstraal en elektronenstraal komen aan bij de LCPM, op welk punt de laser wordt afgebogen terwijl de elektronenstraal wordt doorgelaten - met een verwaarloosbare verstoring.

De elektronenbundel gaat dan door de actieve plasmalens. De lens wordt gebruikt om de elektronenbundel te focussen in een reeks kleine magneten. Het magnetische veld verspreidt de elektronen op basis van energie - ongeveer zoals licht wordt verspreid door kleur wanneer het door een prisma gaat.

De gedispergeerde elektronenstraal gaat vervolgens door een speciaal kristal dat licht produceert terwijl het elektron er doorheen gaat. Beelden met hoge resolutie van de lichtsignatuur van het kristal maken een nauwkeurige, sub-procent resolutie mapping van de energie van de elektronenstraal, en gelijktijdige emissiemetingen.

De metingen kunnen onderzoekers uiteindelijk helpen bij het oplossen van problemen, afstemmen, en de prestaties van laser-plasmaversnellingsexperimenten te verbeteren, en de opstelling kan mogelijk relevant zijn voor toekomstige collider-toepassingen en compacte röntgenvrije-elektronenlasers, onderzoekers merkten op, die een breed scala aan toepassingen zou kunnen hebben.

"Je wilt deze bundels snel kunnen karakteriseren en gebruiken als feedback voor optimalisatie, "Zei Barber. "Dit is nuttig voor de karakterisering en controle van de eigenschappen van elektronenstralen."