Физики преодолели важный рубеж на пути к настольным ускорителям частиц
Японские ученые сделали важный шаг к миниатюризации ускорителей частиц. В перспективе эти устройства будут размером не больше настольного компьютера.
Исследование вышло в журнале Physical Review Research. В основе его — так называемое лазерно-кильватерное ускорение. Идея, если не уходить в научные дебри, такова. Струя газа облучается лазером и превращается в плазму. Проходя сквозь нее, луч оставляет след, как катер в море. Волны в плазме движутся почти со скоростью света, а во впадинах между ними возникает колоссальное (более чем в 1000 раз сильнее, чем в больших ускорителях) электрическое поле, которое разгоняет электроны.
«Наша работа включает ряд значительных улучшений по сравнению с предыдущими методами, что позволило нам добиться усиления на основе свободных электронов в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Мы использовали формирование лазерных импульсов для повышения точности фокусировки. В сочетании со специально разработанными сверхзвуковыми газовыми соплами это позволяет создавать более стабильные волновые фронты и обеспечивать точный контроль источника плазмы», — рассказал ведущий автор Чжань Цзинь.
Для испытаний построили прототип лазерно-плазменного ускорителя, разогнавший электроны на отрезке в миллиметры до ~400 МэВ. Полученный пучок пропустили через двухметровый ондулятор, который усилил синхротронное излучение в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне (XUV) в 20 раз.
Эксперименты показали, что лазерно-кильватерное ускорение может достигать уровня, сравнимого с практическими высококачественными ускорителями электронов высоких энергий размерами в сотни метров.
«Долгое время лазерно-кильватерное ускорение считалось непрактичным из-за сложностей со стабилизацией плазмы, от которой оно зависит. Нам удалось значительно повысить стабильность и качество наших электронных пучков, что позволит существенно уменьшить размеры будущих ускорителей и открывает возможность создания компактных рентгеновских лазеров на свободных электронах», — объясняет научный руководитель Томонао Хосокай.
Демонстрация работы лазера на свободных электронах в XUV стала важным шагом на пути к переходу на более короткие волны, что в конечном итоге позволит создавать компактные рентгеновские лазеры. Эти исключительно мощные источники генерируют когерентное рентгеновское излучение, яркость которого в 10 миллиардов раз превышает солнечную, в виде фемтосекундных импульсов. В настоящее время их использование ограничено крупными научными центрами, но миниатюризация таких устройств открыла бы возможность их применения в обычных лабораториях.
