Вчені з Шанхайського університету Цзяо Тун у Китаї розробили революційний лазерний прискорювач хвильового поля (LWFA), який використовує вигнуті канали для спрямування лазерних пучків і прискорення електронів. Ця інноваційна технологія може стати значним кроком вперед на шляху до створення компактних і економічно ефективних альтернатив традиційним прискорювачам частинок.
Дослідження проводилось під керівництвом професора Цзе Чжана.
У LWFA висококонцентрований лазерний імпульс фокусується в газі для створення щільної плазми. Коли лазерний імпульс проходить через газ, він створює область змінних електричних полів, відому як "поле сліду", що нагадує слід за човном, який рухається.
Використовуючи ці поля, електрони можна прискорювати до надзвичайно високих енергій на коротких відстанях. Таким чином з'являється технологічна перспектива щодо розробки прискорювачів “малих” розмірів, що працюють навіть в умовах, наближених до польових.
Однак досягнення релятивістських швидкостей для електронів вимагає багатоступеневого прискорення, що зумовлює необхідність інжекції електронів з однієї стадії LWFA в іншу. Це, своєю чергою, створює значні труднощі через малий розмір сліду і його швидкість, яка близька до швидкості світла. Попри нещодавній прогрес у використанні таких технологій, як плазмові лінзи, лише частина електронів була успішно інжектована на наступну стадію.
У 2018 році команда Чжана і Чена презентувала новий метод для вирішення проблеми. Як пояснює Мін Чен, член команди:
"У нашій схемі електрони завжди рухаються всередині прямого плазмового каналу, де вони сфокусовані за допомогою лазерного хвильового поля. Потім другий свіжий лазер спрямовується вигнутим плазмовим каналом і зливається з прямим каналом, подібно до рампи на шосе".
Дозволяючи електронам безперервно рухатися вздовж однієї стадії замість того, щоб інжектувати їх на початку кожної нової стадії, такий підхід забезпечує вищий рівень утримання частинок під час прискорення.
Початковою проблемою при об'єднанні лазерного променя з прямим каналом було те, що плазмове слідове поле могло коливатися, що призводило до відхилення електронів від запланованих шляхів і зменшення їхнього прискорення.
Тому команда Чжана використала канали з різною кривизною, створюючи варіації густини в плазмі. Знайшовши точну кривизну, вони досягли стабільного позиціювання лазерного променя, гарантуючи, що коли електрони інжектуються в пряму частину каналу, результуюче відлуння залишається стабільним, полегшуючи прискорення частинок до вищих швидкостей.
Подальші експерименти виявили ще одну перевагу цього підходу. Чен пояснює:
"Ми виявили, що в деяких випадках лазер можна не лише спрямовувати, але й генерувати відлуння всередині вигнутого каналу і прискорювати електрони. Зазвичай це спостерігалося лише в прямому плазмовому каналі. Це означає, що як лазер, так і високоенергетичні електрони можна направляти в такому викривленому плазмовому каналі".
Дослідницька група вважає отримані результати значною віхою для майбутнього. Чен стверджує:
"Наш експеримент показує, як релятивістські електрони можуть стабільно спрямовуватися вигнутим плазмовим каналом, що є критично важливим кроком у схемі прискорення вейк-поля. У майбутньому такі канали можуть бути використані для прискорення вейк-поля та спрямування електронів".
Продемонструвавши можливість досягнення більшої кількості ступенів прискорення за допомогою декількох вигнутих каналів, команда Чжана сподівається врешті-решт досягти тераелектронвольтових енергій.
Також технологічний прорив китайських вчених дозволить конкурувати з сучасними прискорювачами частинок за продуктивністю, водночас значно зменшивши розмір і вартість. Чен підсумовує:
"Наше дослідження вирішує важливий крок для стадійного лазерного прискорення вейк-поля і показує потенціал для компактного джерела синхротронного випромінювання".
