Představení nového typu urychlovače částic

Numerické znázornění laserem řízeného zrychlení (levá strana) a následného elektronem řízeného zrychlení (pravá strana), které společně tvoří hybridní plazmový urychlovač. Fotografický kredit: Alberto Martinez de la Ossa, Thomas Heinemann

Elektrony na dvojité vlně

Jelikož jsou mnohem kompaktnější než dnešní urychlovače, které mohou být dlouhé kilometry, plazma Akcelerátory jsou považovány za slibnou technologii pro budoucnost. Mezinárodní výzkumná skupina nyní učinila významný pokrok v dalším rozvoji tohoto přístupu: Dva doplňkové experimenty na Helmholtzovo centrum Drážďany-Rossendorf (HZDR) a na Univerzitě Ludwiga Maximiliána v Mnichově (LMU) se týmu podařilo poprvé kombinovat dvě různé plazmové technologie a postavit nový typ hybridního urychlovače. Tento koncept by mohl podpořit vývoj urychlovačů a z dlouhodobého hlediska se stát základem vysoce brilantních rentgenových zdrojů pro výzkum a medicínu, jak to odborníci popisují v časopise Komunikace přírody.

V konvenčních urychlovačích částic jsou silné rádiové vlny přiváděny do speciálně tvarovaných kovových trubek zvaných rezonátory. Částice, které mají být urychleny – často elektrony – mohou jezdit na těchto rádiových vlnách jako surfaři na vlně oceánu. Potenciál této technologie je však omezený: pokud je do rezonátorů přiváděno příliš mnoho energie rádiových vln, existuje riziko elektrických nábojů, které mohou součást poškodit. To znamená, že mnoho rezonátorů musí být zapojeno do série, aby se částice dostaly na vysokou energetickou hladinu, což v mnoha případech činí dnešní urychlovače dlouhé kilometry.

200 MeV akcelerátor

200 MeV akcelerátor. Fotografický kredit: Arie Irman

Proto odborníci tvrdě pracují na alternativě: zrychlení plazmy. Krátké a extrémně silné laserové záblesky v zásadě blikají do plazmy – ionizovaného stavu hmoty, který se skládá ze záporně nabitých elektronů a kladně nabitých atomových jader. V této plazmě generuje laserový puls silné střídavé elektrické pole, podobné brázdě lodi, které může enormně zrychlovat elektrony na velmi krátkou vzdálenost. Teoreticky to znamená, že rostliny lze stavět mnohem kompaktněji, což znamená, že dnes je sto metrů dlouhý urychlovač snížen na několik metrů. “Tato miniaturizace činí tento koncept tak atraktivním,” vysvětluje Arie Irman, výzkumný pracovník Ústavu radiační fyziky HZDR. „A doufáme, že si malé univerzitní laboratoře mohou v budoucnu také dovolit silný urychlovač.“

Existuje však další varianta zrychlení plazmy, při které je plazma místo silných laserových záblesků poháněna elektronovými paprsky téměř rychlostí světla. Tato metoda nabízí oproti laserem řízenému zrychlení plazmy dvě výhody: „V zásadě by mělo být možné dosáhnout vyšších energií částic a zrychlené elektronové paprsky by se měly snadněji ovládat,“ vysvětluje fyzik HZDR a hlavní autor Thomas Kurz. „Nevýhodou je, že se v současné době spoléháme na velké konvenční urychlovače, které generují elektronové svazky potřebné k pohonu plazmy.“ FLASH ve společnosti DESY Například v Hamburku, kde se takové experimenty odehrávají, je to dobrých sto metrů.

Kombinace vysoké energie

To je přesně to, kde nový projekt přichází. “Ptali jsme se sami sebe, zda dokážeme vybudovat mnohem kompaktnější urychlovač pro pohon plazmové vlny,” říká Thomas Heinemann z University of Strathclyde ve Skotsku, který je také hlavním autorem studie. „Naší myšlenkou bylo nahradit tento konvenční systém plazmovým urychlovačem řízeným laserem.“ Pro otestování konceptu tým navrhl důmyslné testovací nastavení, při kterém silné záblesky světla z laserového systému HZDR DRACO zasáhly plynný paprsek helia a dusíku a generovaly koncentrovaný rychlý elektronový paprsek pomocí plazmové vlny. Tento elektronový paprsek prochází kovovou fólií do dalšího segmentu, přičemž fólie odráží zpětné laserové záblesky.

V tomto dalším segmentu dopadající elektronový paprsek zasáhne jiný plyn, tentokrát směs vodíku a hélia, ve které může generovat novou, druhou plazmovou vlnu, která během několika milimetrů a výstřelů uvede další elektrony do turbo režimu. paprsek energetických částic. „Preionizujeme plazmu dalším slabším laserovým pulsem,“ vysvětluje Heinemann. „Díky tomu je plazmové zrychlení s dálkovým paprskem mnohem efektivnější.“

Turbozapalování: Téměř rychlostí světla do pouhých jednoho milimetru

Výsledek: „Náš hybridní akcelerátor měří méně než centimetr,“ vysvětluje Kurz. „Sekce urychlovače poháněná paprskem využívá jen milimetr k tomu, aby elektrony přiblížila rychlosti světla.“ Realistické simulace procesu ukazují pozoruhodný gradient urychlovacího napětí v procesu, což je více než tisíckrát vyšší nárůst ve srovnání s konvenčním urychlovačem. Aby zdůraznili důležitost svých výsledků, vědci implementovali tento koncept v podobné formě na laseru ATLAS na LMU v Mnichově. Před použitím této nové technologie v aplikacích však musí odborníci ještě překonat mnoho výzev.

V každém případě odborníci již mají na paměti možné oblasti použití: „Výzkumné skupiny, které v současné době nemají vhodný urychlovač částic, by tuto technologii mohly případně použít a dále rozvíjet,“ doufá Arie Irman. „A za druhé, náš hybridní urychlovač by mohl být základem toho, co je známé jako laser s volnými elektrony.“ Takové FEL se považují za extrémně kvalitní zdroje záření, zejména rentgenové záření, pro ultra přesné analýzy nanomateriálů, biomolekul nebo geologických vzorků. Dosud tyto rentgenové lasery vyžadovaly dlouhé a drahé konvenční urychlovače. Díky nové plazmové technologii by mohly být mnohem kompaktnější a nákladově efektivnější – a možná také cenově dostupné pro běžnou univerzitní laboratoř.

Odkaz: „Demonstrace kompaktního plazmatického urychlovače s laserem urychlenými elektronovými paprsky“, autor: T. Kurz, T. Heinemann, MF Gilljohann, YY Chang, JP Couperus Cabadağ, A. Debus, O. Kononenko, R. Pausch, S. Schöbel , RW Assmann, M Bussmann, H. Ding, J. Götzfried, A. Köhler, G. Raj, S. Schindler, K. Steiniger, O. Zarini, S. Corde, A. Döpp, B. Hidding, S. Karsch Schramm, A. Martinez de la Ossa a A. Irman, 17. května 2021, Komunikace přírody.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23000-7

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.