Wetenschap
Elektro-optische 3D-momentopname van een laser-wakefield-versnelde kilo-ampère-elektronenbundel
Laser Wakefield Acceleratie (LWFA), uitgevonden door T. Tajima en J. Dawson, maakt gebruik van de kracht van laserpulsen met hoge intensiteit om plasmagolven aan te sturen met versnellingsgradiënten die ordes van grootte groter zijn dan die van conventionele, op RF gebaseerde versnellers.
Door de laserpuls als een kogel te behandelen, induceert de ponderomotorische kracht een periodieke golf in het plasma, vergelijkbaar met een RF-holte. Elektronen die in deze golf gevangen zitten, kunnen binnen slechts een centimeter energieën van GeV bereiken – duizend keer korter dan conventionele versnellers. De femtoseconde temporele duur van elektronenbundels uit LWFA biedt ongekende mogelijkheden voor ultrasnelle studies.
De afgelopen twintig jaar heeft LWFA opmerkelijke vooruitgang geboekt op het gebied van maximale energie, energiespreiding, oplaadsnelheid en herhalingssnelheid.
Met zijn hoge versnellingsgradiënt en het vermogen om elektronenbundels met hoge helderheid te produceren, heeft LWFA een enorm potentieel voor toepassingen in de hoge-energiefysica, röntgenpompsondestudies en tijdsopgeloste dosimetrie. De driedimensionale (3D) dichtheid is een kritische parameter die respectievelijk de helderheid in een botsing, de helderheid van secundaire röntgenbronnen en de piekdosis van straling beïnvloedt.
In het bijzonder is een X-ray vrije-elektronenlaser (XFEL) op tafelblad nauw verbonden met het laserproces in een undulator. Tot nu toe zijn experimentele metingen echter ongrijpbaar gebleven vanwege het gebrek aan diagnostische methoden. Hoewel transversale en relatieve longitudinale distributies afzonderlijk zijn bestudeerd, moet het absolute 3D-dichtheidsprofiel nog volledig worden gekarakteriseerd.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications , een team van wetenschappers, geleid door Dr. Masaki Kando van Kansai Institute for Photon Science (KPSI), National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), Japan, prof. Tomonao Hosokai van SANKEN, Osaka University, Japan, en co- werknemers hebben een doorbraak bereikt in de single-shot monitoring van het 3D-dichtheidsprofiel van LWFA-elektronenbundels.
Door experimenteel en numeriek onderzoek naar beeldvorming met optische overgangsstraling (OTR), elektro-optische (EO) ruimtelijke decodering en genetisch algoritme (GA) werden de gedetailleerde 3D-structuren van de ultrasnelle elektronenbundels van LWFA met succes gereconstrueerd, waardoor de ingewikkelde straal werd verlicht. dynamiek van de elektronenbundel.
De bevindingen onthullen een transversale afmeting van minder dan 30 micrometer voor de elektronenbundel, wat de opmerkelijke resolutie aantoont die wordt bereikt door de OTR-beeldvormingstechniek. Bovendien vertoonde het huidige profiel een complexe vorm met meerdere pieken, met een structuur van minder dan 10 femtoseconden en een piekstroom van meer dan 1 kiloampère (kA) – een bewijs van de uitzonderlijke prestaties van laser-wakefield-versnelling.
Van bijzonder belang is de waargenomen maximale 3D-getaldichtheid van ∼ 9 × 10 21 m -3 , dat waardevolle inzichten biedt in de versnelde elektronenbundel. Deze detectie toonde het potentieel aan voor het implementeren van een detector op elke positie langs een straaltransportlijn, waardoor nieuwe wegen werden geopend voor toekomstige toepassingen in de versnellerwetenschap en daarbuiten.
"De mogelijkheid om het driedimensionale dichtheidsprofiel van elektronenbundels te meten zal ons begrip van LWFA vergroten en het volledige potentieel ervan voor diverse toepassingen ontsluiten", zegt Dr. Kai Huang, senior onderzoeker bij QST en hoofdauteur van het artikel. P>
"De resultaten en methodologieën die in dit artikel worden gepresenteerd, hebben verstrekkende gevolgen voor een spectrum van disciplines, waaronder versnellerfysica, krachtige lasers en terahertz-optica."