Фото: Sören Jalas / Universität Hamburg. Немецкие ученые достигли значительного прорыва в области лазерно – плазменного ускорения электронов. Установка работала стабильно более 27 часов, что позволило ученым получить точные данные о параметрах ускорения и выявить всю корреляцию между характеристиками лазера и стационарными колебаниями предельно максимальной энергии электронов. В результате, физики смогли смоделировать колебания конечной энергии частиц с точностью до десятых процента. Данный метод может стать основой для активной стабилизации пучка электронов в процессе ускорения, что является ключевым фактором для практического применения лазерно-плазменных ускорителей в научных исследованиях и разных промышленных приложениях. Результаты исследования опубликованы в авторитетном журнале Physical Review X. В настоящее время заряженные частицы ускоряются в радиочастотных резонаторах, которые являются сложными и дорогими устройствами.
Фундаментальные ограничения на достижимые поля в таких резонаторах не позволяют ускорять частицы с темпом более нескольких десятков мегаэлектронвольт на метр.
В результате с увеличением желаемой энергии частиц неизбежно растут размеры и цены установок. Чтобы решить эти проблемы, физикам нужно найти принципиально новые способы ускорения частиц. Наиболее перспективным пока что является метод лазерно-плазменного ускорения, который ученые уже научились использовать для электронов и достигли в два раза большего темпа ускорения, чем на установках с радиочастотными резонаторами. В рамках этого метода электроны приобретают энергию в поле, которое формируется вызванными лазером колебаниями плазмы и связанным с ними перераспределением пространственного заряда. Таким образом, в лазерно-плазменных ускорителях электрон «цепляется» за волны плазмы и за счет существующей в них разности потенциалов увеличивает свою скорость.
Однако у этого метода есть несколько существенных недостатков: из-за тяжело контролируемых флуктуаций параметров установки физикам пока что не удается достигнуть стабильного ускорения на большом расстоянии до действительно высоких энергий, характерных для методов с использованием резонаторов. Эти флуктуации в работе лазерно-плазменных ускорителей возникают из-за того, что формально для каждого нового сгустка электронов создается новая ускоряющая емкость, на параметры которой, а значит и на конечную энергию электронов, сильно влияют колебания характеристик лазера. В результате пучки электронов высокого качества (с малым разбросом по энергиям как в поперечном сечении, так и по оси пучка) на лазерно-плазменных ускорителях получаются крайне редко и с высокой долей случайности.
Эту проблему и попыталась решить группа Андреаса Майера (Andreas Maier) из Гамбургского университета на лазерно-плазменном ускорителе LUX. Установка была создана с минимальным количеством степеней свободы, чтобы уменьшить возможные флуктуации, а оставшиеся неизбежные колебания параметров лазера и энергии электронов тщательно отслеживались с помощью многостадийной системы мониторинга. Майер и коллеги ставили в приоритет не энергию или темпы ускорения, а его качество и продолжительность: в этих целях установка работала не на максимальной энергии лазера, что уменьшило переносимый заряд, а также пространственное и импульсное поперечное сечения пучка. Конечную энергию ускоренных электронов ученые узнавали с помощью спектрометра с разрешением в 1 процент от средней максимальной энергии в пучке.
Схема ускорителя. Andreas Maier et al. / Physical Review X
Временная зависимость энергии электронов в каждом пучке (сверху) и отклонения максимального значения энергии в каждом пучке от среднего. Andreas Maier et al. / Physical Review X
Смоделированные по параметрам лазера (желтая линия) и измеренные в эксперименте (синяя линия) значения средней максимальной энергии электронов в пучке. Серыми прямоугольниками обозначены временные отрезки, данные которых использовались для настройки моделирования. Andreas Maier et al. / Physical Review X
Ранее физики уже представили проект европейского лазерно-плазменного ускорителя для прикладных задач, а также усовершенствовали метод ускорения электронов с помощью лазера, но без участия плазмы.
Автор: Никита Козырев
Источник: https://nplus1.ru/
