In de afgelopen decennia hebben natuurkundigen en ingenieurs geprobeerd steeds compactere laser-plasmaversnellers te creëren, een technologie om materie en deeltjesinteracties te bestuderen die worden geproduceerd door interacties tussen ultrasnelle laserstralen en plasma. Deze systemen zijn een veelbelovend alternatief voor bestaande grootschalige machines op basis van radiofrequentiesignalen, omdat ze veel efficiënter kunnen zijn in het versnellen van geladen deeltjes.

Hoewel laser-plasmaversnellers nog niet op grote schaal worden gebruikt, hebben verschillende onderzoeken hun waarde en potentieel benadrukt. Om de kwaliteit van de versnelde laserstraal die door deze apparaten wordt geproduceerd te optimaliseren, moeten onderzoekers echter verschillende ultrasnelle fysieke processen in realtime kunnen volgen.

Onderzoekers van het Weizmann Institute of Science (WIS) in Israël hebben onlangs een methode ontwikkeld om lasergestuurde en niet-lineaire relativistische plasmagolven in realtime te observeren. Met behulp van deze methode, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Nature Physics , waren ze in staat om niet-lineair plasma te karakteriseren met ongelooflijk hoge temporele en ruimtelijke resoluties.

"Het afbeelden van een micrometrische lasergestuurde plasmagolf die met de snelheid van het licht loopt, is een hele uitdaging, wat het gebruik van ultrakorte lichtpulsen of bundels geladen deeltjes impliceert," Yang Wan, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, vertelde Phys.org. "Terwijl het licht structuren in plasmadichtheid kan onthullen, tasten de deeltjesbundels de interne velden van plasmagolven af ​​en zouden ons dus veel meer informatie kunnen geven over de toestand van deze golven, d.w.z. hun vermogen om de plasma-elektronen te injecteren en te versnellen."

Het recente werk van Wan en zijn collega's is gebaseerd op een eerdere proof-of-principle-studie die hij heeft uitgevoerd met zijn voormalige onderzoeksteam aan de Tsinghua University in China. Deze eerdere studie bevestigde in wezen de haalbaarheid van het afbeelden van zwakkere lineaire sinusoïdale golven (d.w.z. natuurlijke representaties van hoeveel dingen en systemen in de natuur in de loop van de tijd van toestand veranderen).

"Om de zeer niet-lineaire plasmagolf die het meest wordt gebruikt voor elektronenversnelling direct te observeren, hebben we twee krachtige laser-plasmaversnellers geconstrueerd met behulp van ons dubbele 100 TW-lasersysteem bij WIS", legt Wan uit. "Dit systeem produceert een hoogenergetische elektronensonde met hoge lading en de andere produceert een zeer niet-lineair plasma-wakefield dat moet worden onderzocht. In deze verkennende studie hebben we deze nieuwe beeldvormingstechniek tot het uiterste getest, op zoek naar de fijne veldstructuren in de niet-lineaire plasmagolven."

Het oorspronkelijke doel van het experiment van Wan en zijn collega's bij WIS was om plasmagolven in detail te observeren. Na dit te hebben gedaan, realiseerde het team zich echter dat niet-lineaire plasmagolven de sondedeeltjes op interessantere en verrassendere manieren afweken, zowel door elektrische als door magnetische velden.

"Bij het ontcijferen van deze informatie met theoretische en numerieke modellen, hebben we de kenmerken geïdentificeerd die direct correleren met de dichte elektronenpiek aan de achterkant van de gevormde 'plasmabel'," zei Wan. "Voor zover wij weten, is dit de eerste meting van dergelijke fijne structuren in de niet-lineaire plasmagolf."

Wan en zijn collega's verhoogden vervolgens het vermogen van de driverlaser die in hun experiment werd gebruikt. Hierdoor konden ze de zogenaamde "golfbrekende" identificeren, de toestand waarna een plasmagolf niet langer kan groeien, dus in plaats daarvan vangt hij plasma-elektronen op in zijn versnellende veld. Golfbreking is een fundamenteel natuurkundig fenomeen, vooral in plasma.

"De eerste belangrijke prestatie van ons werk is de beeldvorming van de extreem sterke velden van relativistische plasma's, omdat het gebruik maakt van een uniek kenmerk van dergelijke laser-plasmaversnellers - de bundelduur van enkele femtoseconden en de grootte van de bundelbron van micrometer, die ultra -hoge spatiotemproal resolutie voor het vastleggen van de microscopische fenomenen die met de snelheid van het licht lopen, "zei Wan. "Door de plasmagolf in beeld te brengen, observeerden we ook direct het subtiele proces van 'golfbreken', wat op zich al een geweldige ervaring was."

Opmerkelijk is dat de meting die door dit team van onderzoekers is verzameld, onmogelijk te bereiken is met een van de bestaande conventionele versnellers op basis van radiofrequentietechnologie. In de toekomst zou hun werk dus andere teams kunnen inspireren om soortgelijke experimentele methoden te bedenken om de vele nuances van plasma verder te observeren.

"Golfbreking is ook cruciaal voor op plasma gebaseerde versnellers, vanwege de productie van relativistische elektronen door zelfinjectie," zei Wan. "Dit injectiemechanisme is nogal belangrijk in eentraps multi-GeV-versnellers waar het moeilijk is om de gecontroleerde injectie gedurende een lange bedrijfstijd te handhaven."

Dit recente werk van Wan en zijn collega's zou tal van belangrijke implicaties kunnen hebben voor de ontwikkeling en het gebruik van laser-plasmaversnellers. Het introduceert met name een waardevol hulpmiddel om het elektronenzelfinjectieproces in realtime te identificeren, waardoor onderzoekers versnellers kunnen verfijnen en de kwaliteit van hun bundels kunnen verbeteren.

"We hebben nu een uniek en krachtig hulpmiddel om extreme velden te verkennen voor het onderzoeken van vele andere fundamentele vragen in een breder scala aan plasmaparameters die relevant zijn voor de natuurkunde, waaronder een door deeltjesbundel aangedreven wakefield, bundel-plasma-interactie en fusiegerelateerde plasmadynamica," Prof. Victor Malka, de hoofdonderzoeker van de studie en de hoofdonderzoeker van de groep, vertelde Phys.org. "De toekomst is erg spannend en we zijn ongeduldig om dieper in te gaan op de verkenning van rijke verschijnselen in de plasmafysica." + Verder verkennen

Wereldrecordversnelling:nul tot 7,8 miljard elektronvolt in 8 inch

© 2022 Science X Network