Forskere har skabt en Ultrashort -elektronstråle med fem gange mere spidsstrøm end nogen anden lignende bjælke på jorden.
Beskrevet i et papir, der er offentliggjort i Fysiske gennemgangsbrevedenne præstation adresserer en af de storslåede udfordringer med partikelaccelerator og bjælkefysik og åbner døren for nye opdagelser inden for et bredt område af videnskabelige felter, herunder kvantekemi, astrofysik og materialevidenskab.
“Ikke kun kan vi skabe en så kraftig elektronstråle, men vi er også i stand til at kontrollere bjælken på måder, der kan tilpasses og på efterspørgsel, hvilket betyder, at vi kan undersøge et meget bredere interval af fysiske og kemiske fænomener end nogensinde før,” sagde Claudio Emma, en personaleforsker ved Department of Energy’s Slac National Accelerator-laboratorium, der er forsker ved SLAC’s facilitet for avancerede accelerator-eksperimentelle test (Facet-I-II) på den ene lead på den nye nye nytilitet for Advanced Accelerator Experimental Tests (Facet-I-I-II) og A-learator Studie.
Magtbalancen
Som beskrevet i Accelerator- og Beam Physics -køreplanen offentliggjort i 2022, har en af de største udfordringer for fysikere – indtil nu – været at producere elektronstråler, der er meget mere magtfulde, samtidig med at de bevarer strålekvaliteten.
Traditionelt bruges et mikrobølgefelt til at komprimere og fokusere elektronstrålen. Elektronerne i marken er forskudt, så de yderligere tilbage har mere energi end dem foran. Det er slags som løbere forskudt i starten af et baneløb, forklarede Emma.
“Vi sender dem derefter rundt om en bøjning, så elektronerne i ryggen indhenter elektroner foran, og i slutningen har du en flok elektroner sammen i en fokuseret bjælke.”
Problemet med denne tilgang er, at når de accelererer, udsender elektroner stråling og mister energi, så kvaliteten af bjælken forværres. Det skaber en afvejning mellem bjælkeenergi og kvalitet. “Vi kan ikke anvende traditionelle metoder til at komprimere bundter af elektroner i submicron -skalaen, samtidig med at de bevarer strålekvaliteten,” sagde Emma.
Lasere til sejr
For at løse dette problem komprimerede SLAC-forskere milliarder af elektroner i en længde mindre end et mikrometer ved hjælp af en laserbaseret formningsteknik, der oprindeligt blev udviklet til røntgenstrålefritelektron-lasere, såsom SLACs Linac-sammenhængende lyskilde (LCL’er).
“Den store fordel ved at bruge en laser er, at vi kan anvende en energimodulering, der er meget mere præcis end hvad vi kan gøre med mikrobølgefelter,” sagde Emma.
Men det er ikke så simpelt som bare at skyde et par lasere ned ad en tunnel. “Vi har en en kilometer lang maskine, og laseren interagerer med bjælken i de første 10 meter, så du er nødt til at få formningen nøjagtigt rigtigt, så skal du transportere bjælken til en anden kilometer uden at miste denne modulation, og du er nødt til at komprimere den,” sagde Emma. “Så det var ikke let.”
Efter flere måneders test og finessing af deres laserformningsteknik, kan Emma og hans team nu gentagne gange producere høj energi, femtosekund-varighed, Petawatt Peak Power Electrongs, der er ca. fem gange højere i strøm end hvad der tidligere kunne opnås.
Et utroligt nyt værktøj
Denne nye bjælke giver forskere mulighed for at undersøge en hel række naturfænomener, herunder testhypoteser i kvantefysik, materialevidenskab og astrofysik.
I astrofysik kan denne stråle for eksempel ledes til et solidt eller gasmål for at skabe et filament, der ligner dem, der ses i stjerner. “Forskere ved, at disse filamenter forekommer, men nu kan vi teste, hvordan de forekommer og udvikle sig i laboratoriet med et magtniveau, vi ikke har haft før,” sagde Emma.
Fellow Facet-II-forskere sprang på den mere magtfulde bjælke og har allerede anvendt den til at fremme plasma Wakefield-teknologi. Emma er især begejstret for udsigten til yderligere at komprimere disse bjælker for at gøre attosekund lette pulser, hvilket yderligere forbedrer LCLS’s nuværende attosecond -kapaciteter og driver endnu mere banebrydende videnskab.
“Hvis du har bjælken som et hurtigt kamera, har du også en lys puls, der er meget kort, og nu pludselig har du to komplementære sonder,” forklarede Emma. “Det er en unik kapacitet, og vi kan gøre en masse ting med det.”
Emma og hans kolleger er begejstrede for udsigterne, som denne nye elektronstråle vil bringe.
”Vi har en virkelig spændende og interessant facilitet på Facet-II, hvor folk kan komme og udføre deres eksperimenter,” sagde han. “Hvis du har brug for en ekstrem bjælke, har vi værktøjet til dig, og lad os arbejde sammen.”