 Обычные ускорители частиц, как правило, представляют собой большие машины, которые занимают много места. Даже при более скромных энергиях, таких, которые используются для терапии рака и медицинской визуализации, ускорителям нужны большие комнаты для размещения необходимого оборудования, блоков питания и радиационной защиты.
Новое открытие, сделанное физиками в университете штата Мэриленд, может стать ключом к построению недорогих, широко используемых и портативных ускорителей частиц в самом ближайшем будущем. Исследователи ускорили пучки электронов почти до скорости света, используя рекордно низкую лазерную энергию, таким образом, уменьшая основное инженерное узкое место в развитии компактных ускорителей частиц.
Исследователи ускорили электронные пучки высокого заряда в более чем 10 миллионов электрон-вольт, используя только миллиджоули энергии лазерного импульса. Поскольку требуемая энергия лазера является настолько низкой, их результат открывает путь к лазерным ускорителям частиц, которые могут поместиться на корзине.
Кроме того, ускоритель генерирует настолько короткую интенсивную вспышку оптического света, что мы считаем, что он представляет собой лишь одну половину цикла волны. Эти ультракороткие мигания могут привести к развитию оптических стробоскопов, которые могут захватить движение электронов, вращающихся по их атомным орбитам – что является потенциально важным событием для материаловедения и нанотехнологий.
Исследователи начали с метода, известного как лазерное ускорение плазменного кильватерного поля, и толкнули его до крайности. Их подход работает посредством излучениях лазерного импульса в плазме, представляющей собой газ (в данном случае, водород), который был полностью ионизирован, чтобы удалить все электроны из атомов газа. Интенсивный лазерный импульса может создать плазменную волну, которая следует за лазером. Облако электронов после первоначального лазерного импульса можно «плавать» на этих волнах, ускоряясь почти до скорости света в миллионных метра.
Когда лазерный импульс проходит через плазму, лазер заставляет электроны качаться взад и вперед в лазерном поле. Электроны в центре опыта являются наиболее интенсивной частью пучка, поэтому они перемещаются намного быстрее всего. Когда они это делают, они становятся более массивными, как это диктуется законом относительности Эйнштейна, который гласит, что при увеличении скорости объекты должны увеличиться в массе. Результатом является то, что центр луча, где электроны становятся тяжелыми, замедляется по сравнению с наружными частями луча. Это приводит к самофокусировке луча, который, набирая интенсивность, постепенно разрушается, приводя в конечном счете к сильному плазменному следу. Этот эффект известен как релятивистская самофокусировка, и становится более выраженным с ростом плотности плазмы.
Физики воспользовались этим эффектом самофокусировки, резко увеличивая плотность плазмы в 20 раз по сравнению с типичными экспериментами. В процессе они резко снизили энергию лазерного импульса, необходимого для инициирования релятивистской самофокусировки, и тем самым создали сильный плазменный след.
Если достаточно увеличить плотность плазмы, то даже крошечный лазерный импульс может генерировать сильные релятивистские эффекты. Акселератор исследователей производит пучок электронов и излучения, в том числе гамма-лучей, которые могут быть использованы для безопасной медицинской визуализации и других приложений без необходимости значительных уровней радиационной защиты за пределами пути луча. Вторичный эффект ярких, чрезвычайно кратких вспышек света является результатом первоначальных ускорений электронов в плазме после того, как они ускоряются из состояния покоя почти со скоростью света за менее чем 1 миллионную долю метра.
С точки зрения чистого ускорения, лазерные ускорители пройдут имеют долгий путь, прежде чем они будут готовы для применения в физике высоких энергий. Но для более непосредственных приложений, таких как ультрабыстрая медицинская и научная визуализация, основными барьерами для лазерных ускорителей являются стоимость, сложность и переносимость. Возможно, решение исследователей позволит преодолеть все три барьера.
|
