Powstał hybrydowy akcelerator plazmowy. Przyszłość fizyki cząstek?
Akceleratory plazmowe, jako że są znacznie mniejsze od wielokilometrowej długości współczesnych akceleratorów cząstek, uważane są za obiecującą technologię przyszłości. Teraz międzynarodowy zespół naukowy dokonał ważnego kroku w kierunku kolejnych udoskonaleń akceleratorów plazmowych. Naukowcom po raz pierwszy udało się połączyć dwie różne technologie i stworzyć hybrydowy akcelerator plazmowy. W przyszłości może stać się to też podstawą do stworzenia niezwykle jasnych źródeł promieniowania rentgenowskiego.
W konwencjonalnych akceleratorach fale radiowe o dużej mocy są emitowane do rezonatorów. Cząstki, które mają być przyspieszane, ślizgają się po tych falach jak surferzy. Jednak technologia taka ma swoje ograniczenia. Zbyt potężne fale radiowe zwiększają ryzyko pojawienia się wyładowań elektrycznych, które mogą uszkodzić akcelerator. Aby więc uzyskać wysokie energie, łączy się rezonatory w całe serie, co powoduje, że akcelerator może mieć wiele kilometrów długości.
Dlatego też naukowcy pracują nad akceleratorami plazmowymi. W akceleratorach takich plazma jest ostrzeliwana krótkimi i bardzo intensywnymi impulsami laserowymi. Taki impuls powoduje pojawienie się w plazmie zmiennego pola elektrycznego, które na krótkim dystansie nadaje elektronom olbrzymie przyspieszenie. W teorii oznacza to, że akcelerator plazmowy może mieć długość zaledwie kilku metrów.
To właśnie miniaturyzacja jest przyczyną, dla której koncepcja ta jest tak atrakcyjna. Mamy nadzieję, że w przyszłości nawet małe laboratorium uniwersyteckie będzie mogło posiadać potężny akcelerator cząstek, mówi Arie Irman z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
Istnieje jednak alternatywne rozwiązanie, w którym zamiast światła lasera wykorzystuje się elektrony przyspieszone do wysokich energii. Ta metoda ma dwie zalety w porównaniu z akceleratorem plazmowym z laserem. Po pierwsze, za jej pomocą powinno być możliwe uzyskanie większych energii, po drugie zaś, przyspieszone elektrony powinny być łatwiejsze w kontrolowaniu.
Problemem jest tutaj fakt, że obecnie potrzebujemy dużych akceleratorów, by uzyskać odpowiedni strumień elektronów, którymi wzbudzamy plazmę, mówi jeden z głównych autorów badań Thomas Kurz z HZDR. Na przykład wykorzystywany podczas eksperymentów akcelerator FLASH z DESY w Hamburgu liczy sobie około 100 metrów.
Zadaliśmy sobie pytanie, czy możemy zbudować bardziej kompaktowy akcelerator elektronów wzbudzających plazmę, stwierdził inny główny autor badań, Thomas Heinemann ze szkockiego Univeristy of Strathclyde. Wpadliśmy na pomysł, by zastąpić konwencjonalny akcelerator akceleratorem plazmowym z laserem.
Uczeni zaprojektowali więc eksperyment. Wykorzystali w nim laser DRACO, którego impulsami traktowali mieszaninę helu i azotu, tworząc szybkie strumienie elektronów. Strumienie te przechodziły przez metalową folię do następnego segmentu. Folia odbijała światło lasera, uniemożliwiając mu dalszą drogę. W drugim segmencie znajdowała się mieszanina wodoru i helu, w którą trafiały rozpędzone elektrony z pierwszego segmentu. Wodór i hel były wcześniej jonizowane za pomocą słabych impulsów laserowych. Dzięki temu, po trafieniu w nie elektronów z pierwszego segmentu, dochodziło do olbrzymiego przyspieszenia elektronów z wodoru i helu. Zyskiwały one olbrzymią energię na przestrzeni zaledwie kilku milimetrów.
Nasz hybrydowy akcelerator ma mniej niż 1 centymetr długości, mówi Kurz. Sekcja ostatecznie rozpędzająca elektrony ma tylko 1 milimetr długości i na tej przestrzeni uzyskujemy niemal prędkość światła, dodaje.
Przed autorami badań jeszcze sporo przeszkód do pokonania. Jednak już teraz mówią oni, że w przyszłości na akceleratory cząstek będą sobie mogły pozwolić naprawdę małe laboratoria, a ich eksperymenty pozwolą na udoskonalenie laserów na swobodnych elektronach (FEL) i uzyskanie niezwykle jasnego źródła promieni X.
Komentarze (0)