• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
12.09.2022
Иван Лавренов
1 299

Лазерный тандем объединит кильватерные ускорители электронов в коллайдер

5.5

Ученые из университета Беркли создали установку по одновременному управлению двумя лазерными кильватерными ускорителями, которая позволит «доразгонять» ускоряемые электроны и сталкивать их друг с другом.

Художественная интерпретация лазерного кильватерного ускорения и его схема. Оранжевым показан лазерный импульс, красным – ускоряемые электроны, а высота (глубина) волны соответствует плотности отрицательного (положительного) заряда. На правой части зеленым показаны траектории электронов относительно сгустка лазерного импульса, и их скопление в задней части пузырька.
Художественная интерпретация лазерного кильватерного ускорения и его схема. Оранжевым показан лазерный импульс, красным – ускоряемые электроны, а высота (глубина) волны соответствует плотности отрицательного (положительного) заряда. На правой части зеленым показаны траектории электронов относительно сгустка лазерного импульса, и их скопление в задней части пузырька. / © https://loa.ensta-paris.fr/research/upx-research-group/laser-wakefield-acceleration-lwfa/

Традиционные ускорители элементарных частиц не могут воздействовать на них электрическим полем, превосходящим несколько десятков мегавольт на метр. Этот предел является одной из причин гигантских размеров современных ускорителей: при его превышении неизбежно происходит электрический пробой конструкций.

Создание ускоряющих полей в плазме, состоящей из свободных электронов и ионов, способно избежать ограничений, связанных с электрической прочностью. Без поддержки электрические поля в ней быстро затухают, но их «мгновенная» интенсивность не ограничена практически ничем — в плазме «все, что можно, уже пробито». Рецепт применения гигантских электрических полей в плазме — использование разделения электрических зарядов до того, как они успеют сместиться и компенсировать возникшее между ними электрическое поле.

Лазерное ускорение элементарных частиц основано на разделении зарядов в плазме под действием сверхмощных фемтосекундных лазерных импульсов. Фемтосекунда – одна миллиардная миллионной доли секунды, и длина типичного импульса продолжительностью десятки фемтосекунд составляет несколько микрометров.

Симуляция пузырька положительного заряда в плазме под действием луча-драйвера, в отсутствие ускоряемых электронов (слева) и при их вводе (справа). Синим показана плотность электронов в плазме, а оранжевым – интенсивность луча (справа на каждой картинке), и плотность ускоряемых электронов (слева на правой картинке). Графики показывают продольную компоненту электрического поля на оси луча в гигавольтах на метр. / © https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.2639

Электроны гораздо легче протонов и атомных ядер, и быстрее реагируют на электромагнитные поля. Попадая в плазму, лазерный импульс буквально «разбрасывает» электроны со своего пути. Образуется положительно заряженный «пузырь» с избытком ионов, который притягивает разлетевшиеся электроны обратно. За пузырем они сходятся, создавая область очень плотного отрицательного заряда.

Этот пузырь, как и волны заряда за ним, движется по плазме вслед за лазерным импульсом со скоростью, близкой к световой. Электрическое поле между пузырем и его «кильватером» может достигать сотни гигавольт на метр, и электроны, оказавшиеся в пузыре, «катятся» по электрическому полю, отталкиваясь от отрицательного заряда, как сёрферы от океанской волны.

Существует множество схем плазменного ускорения, использующих лазерные импульсы, пучки заряженных частиц и их комбинации. Кильватерные ускорители уже способны разгонять электроны до нескольких гигаэлектронвольт в настольных установках, которые в сотни раз меньше и намного дешевле традиционных линейных ускорителей.

Но плазменное ускорение обладает «встроенными» недостатками. Процесс по своей природе «сверхбыстротечен», а область ускорения обычно не превосходит сантиметров в длину — дальше лазерный импульс в плазме рассеивается. Ускоренные электроны имеют сильный разброс по энергиям и направлениям полета, а для исследований физики элементарных частиц требуется гораздо более точный контроль их параметров.

Слева: деформируемые зеркала, управляющие фокусировкой лазерных импульсов. Справа: вторая линия подачи лазерного луча, построенная в лаборатории BELLA.
Слева: деформируемые зеркала, управляющие фокусировкой лазерных импульсов. Справа: вторая линия подачи лазерного луча, построенная в лаборатории BELLA. / © Marilyn Sargent/Berkeley Lab

Совершенствованием лазерного ускорения занялись сотрудники центра BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator Center) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) во главе с Эриком Эсари (Eric Esarey). Основной установкой их лаборатории является импульсный лазер петаваттной пиковой мощности (один петаватт равен миллиарду мегаватт). В новом пресс-релизе исследователи рассказали о модернизации установок по управлению лучом и завершении строительства второй линии подачи луча, которая использует часть импульса от основного лазера.

Вторая линия станет независимым источником импульсов, параметрами которых можно управлять в широких пределах. Использование импульса одного и того же лазера нужно, чтобы точнее синхронизировать работу импульсов. Запустить два отдельных лазера, соблюдая интервал с фемтосекундной точностью, очень трудно, зато задержкой между двумя частями одного и того же импульса можно управлять гораздо точнее, что и обеспечивает вторая линия.

Таким образом, вместо одного лазерного ускорителя лаборатория теперь располагает двумя, которые можно настраивать комбинировать друг с другом практически любым образом. Модернизация позволяет независимо управлять продолжительностью и длительностью каждого импульса, и интервалом между ними. Кроме того, в обе линии были добавлены зеркала с деформируемой поверхностью, позволяющие точно настраивать фокусировку лазерных импульсов.

Ученые надеются, что модернизация позволит им собрать плазменные ускорители в тандем, а так же построить из них коллайдер. В первом случае задача — подхватить сгусток электронов, вылетающий из одного плазменного канала, и ускорить его во втором канале. При этом параметры импульсов требуется подобрать так, чтобы не допустить рассеяния электронов. Во втором случае электроны будут лететь навстречу друг другу, а контроль траектории «пузырьков» с точностью до фемтосекунд и микрометров не даст их сгусткам промахнуться мимо друг друга в пространстве и времени.

Если эти задачи удастся решить для лазерных ускорителей — со временем они смогут стать компактной альтернативой некоторым разновидностям гигантских коллайдеров.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
25 февраля
Руслан Руслан

Компания Neuralink, при помощи которой предприниматель Илон Маск надеется совершить революцию в интерфейсах «мозг-компьютер» (BCI), впервые имплантировала человеку устройство «чтения мыслей». Об этом Маск сообщил в твите, опубликованном 29 января. Однако, некоторые обеспокоены отсутствием прозрачности вокруг имплантата, который должен дать возможность управлять устройствами посредством мысли. Реакции ученых и экспертов на это событие обобщает медиа-редакция Nature, а Naked Science приводит перевод этой статьи.

Вчера, 13:46
ПНИПУ

Согласно планам России по развитию авиастроения, к 2030 году будет произведено свыше тысячи отечественных самолетов. Перед промышленными предприятиями сейчас стоит масштабная задача — ускорить цикл проектирования, производства и сервиса авиационных двигателей. Во время их сборки могут возникать дефекты, которые тормозят процесс и снижают показатели эффективности. Один из наиболее распространенных дефектов — дисбаланс ротора, основной части турбины двигателя. Он приводит к повышению нагрузки, меняет режим работы и ускоряет разрушение двигателя. Ученые ПНИПУ предложили минимизировать начальный дисбаланс ротора с помощью выбранного метода сборки, а остаточный дисбаланс — балансировкой.

Вчера, 15:20
Полина

Дети, которые родились в одноязычных и многоязычных семьях, по-разному воспринимают речь. Это подтвердила спектроскопия.

Позавчера, 19:10
Дарья Губина

В 2022 году зонд DART столкнулся с Диморфом, спутником астероида Дидим. Ученые хотели проверить, можно ли сбить с траектории небольшое, но потенциально опасное для нашей жизни космическое тело. Оказалось, DART не только изменил орбиту маленького объекта, но и полностью его «переворошил».

Позавчера, 15:00
Юлия Трепалина

Немецкие ученые рассказали о преимуществах новой технологии промышленного производства яблочного сока — с помощью метода спирального пресса с фильтрацией (spiral filter press). Исследователи установили, что он позволяет в четыре раза увеличить содержание в соке полезных для здоровья веществ по сравнению с более традиционным способом отжима.

25 февраля
Руслан Руслан

Компания Neuralink, при помощи которой предприниматель Илон Маск надеется совершить революцию в интерфейсах «мозг-компьютер» (BCI), впервые имплантировала человеку устройство «чтения мыслей». Об этом Маск сообщил в твите, опубликованном 29 января. Однако, некоторые обеспокоены отсутствием прозрачности вокруг имплантата, который должен дать возможность управлять устройствами посредством мысли. Реакции ученых и экспертов на это событие обобщает медиа-редакция Nature, а Naked Science приводит перевод этой статьи.

20 февраля
Полина

В Российской академии наук завершили первый Большой словарь ударений, его издадут к концу года. Лингвисты собрали наиболее современные нормы произношения привычных слов и зафиксировали ударение для лексики, которая появилась в русском языке недавно.

1 февраля
Андрей

Канадские исследователи изучили состав пород, вышедших на поверхность при появлении первых континентов. По итогам анализа выяснилось, что новая земная кора возникла не в результате движения тектонических плит, а из-за процессов в океанических плато молодой Земли.

22 февраля
РНФ

Ученые показали, что экстремальный подъем уровня Каспийского моря на десятки метров, произошедший 18-13 тысяч лет назад и получивший название «Великая Хвалынская трансгрессия», мог быть вызван, вопреки существующим гипотезам, не таянием ледника, а естественными изменениями палеоклимата. Оказалось, что из-за холодного климата того периода обширные территории, с которых собирали воду впадающие в Каспий реки, были покрыты многолетней мерзлотой. В результате массы дождевых и талых вод почти не впитывались в мерзлые грунты и стекали в море, испарение с поверхности которого было небольшим. Все эти факторы привели к повышению уровня Каспия и увеличению площади моря более чем вдвое по сравнению с современным. Полученные данные помогут уточнить представления о масштабе колебаний уровня Каспийского моря при изменении климата.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: