コンパクトな粒子加速器の構築:電子を束ねることでより多くの成果を上げることができます

Anonim

パーティクルアクセラレータの世界では、レーザーウェイクフィールドデバイスは小さくても強力なアップスタートです。 機械は、従来の粒子加速器で必要とされる距離の一部を使用して、光速近くまで電子を加速することができます。 しかしながら、電子は全て均一に加速されず、より速い(より高いエネルギーの)粒子とより遅い(より低いエネルギーの)粒子の混合物を有するビームは実用性が低い。

現在、中国、韓国、米国の研究者チームは、レーザーウェイクフィールド加速器における電子のエネルギー拡散を最小限に抑える新しい方法を提案しています。 彼らはAIP出版の Plasmas物理学 ジャーナルに彼らの方法を公開しています。

レーザーウェイクフィールド加速器は、プラズマを介して超高速レーザーパルスを発射することによって機能する。 プラズマは正に荷電したイオンと自由電子を含む。 レーザーがプラズマを通過するとき、レーザーは途中から電子を押し出し、正に荷電したイオンの領域を残す。 正の電荷は、波の中でレーザーパルスの後ろに電子を引き戻す。 これらのプラズマ波は、電子を捕捉する強電界を生成し、10億電子ボルト程度のエネルギーレベルまで加速することができます。これは、電子が約99.99999パーセントの光速で圧縮されていることを意味します。

"レーザーが伝播する軸に沿って、縦電界は破損しようとしている非常に急峻な海洋波に似ており、後部付近に閉じ込められた電子が非常に強い前進加速を感じさせる原因となる"と、中国アカデミーの物理学者Jiansheng Liu科学の

加速は非常に強力で、レーザーウェイクフィールドデバイスは、数センチメートルの超高エネルギーレベルまで電子をブーストすることができます。

しかし、レーザーウェイクフィールド加速器には欠点があります。 第1に、異なる時間に電子がプラズマ波に入り、最初に入る電子がより長く加速される。 第二に、加速は一様ではないので、異なる位置の電子は異なるエネルギーブーストを受ける。 これらの両方の要因は、加速された電子のためのエネルギー拡散に寄与する - 実用的な用途にとって望ましくない特徴である。

Liu氏と彼の同僚は、エネルギー拡散を最小限にするための斬新な方法を提案している。 電子がプラズマ波に入った後、加速される前に、チームはプラズマ圧縮機を挿入することを提案している。 コンプレッサーは電子を一緒に押しつぶし、またその順序を反転させるので、パルスの前にある高速電子が後ろにくるようになります。

短縮されたパルスが加速されると、後方の高速電子は正面の遅い電子に追いつき、最終パルスは非常に小さなエネルギー拡散を有する。

電子注入プロセスを最適化することまたは加速電界を形成することによってエネルギー拡散を最小にするこれまでの努力は、エネルギーレベルが数パーセント変化した粒子を生成した。 新しい計画は、エネルギー拡散を1000分の1レベルに、10倍以上に改善することができるはずです。

1000分の1以下のエネルギー広がりは、非常に望ましいテーブルトップX線自由電子レーザーを含むレーザーウェイクフィールド加速器の新しい応用を可能にする、とLiuは述べた。

X線自由電子レーザーは、化学反応やその他の超高速現象の映画を作るのに十分な短時間で強烈なX線光のフラッシュを生成するが、電子は非常に狭いエネルギーの広がりを持っていなければならず、画像。 現在のX線自由電子レーザーは、カリフォルニア州メンロパークにある国家加速器実験室であるSLACのような国家施設に収容された巨大な機械です。

Liu氏と彼の同僚は現在、実験室にデバイスを組み込んで、提案された方法をテストする計画に取り組んでいます。

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