Den direkte observasjonen av svært ikke-lineære plasmabølger

I løpet av de siste tiårene har fysikere og ingeniører forsøkt å lage stadig mer kompakte laserplasmaakseleratorer, en teknologi for å studere materie- og partikkelinteraksjoner produsert av interaksjoner mellom ultraraske laserstråler og plasma. Disse systemene er et lovende alternativ til eksisterende storskalamaskiner basert på radiofrekvente signaler, da de kan være langt mer effektive for å akselerere ladede partikler.

Mens laserplasmaakseleratorer ennå ikke er mye brukt, har flere studier fremhevet deres verdi og potensial. For å optimere kvaliteten på den akselererte laserstrålen som produseres av disse enhetene, må forskere imidlertid kunne overvåke flere ultraraske fysiske prosesser i sanntid.

Forskere ved Weizmann Institute of Science (WIS) i Israel har nylig utviklet en metode for å direkte observere laserdrevne og ikke-lineære relativistiske plasmabølger i sanntid. Ved å bruke denne metoden, introdusert i en artikkel publisert i Naturfysikkvar de i stand til å karakterisere ikke-lineært plasma med utrolig høye tidsmessige og romlige oppløsninger.

“Å avbilde en mikrometrisk laserdrevet plasmabølge som går med lysets hastighet er svært utfordrende, noe som innebærer bruk av ultrakorte lyspulser eller hauger av ladede partikler,” Yang Wan, en av forskerne som utførte studien. fortalte Phys.org. “Mens lyset kan avsløre strukturer i plasmatetthet, sonderer partikkelstrålene de indre feltene til plasmabølger og kan dermed gi oss mye mer informasjon om tilstanden til disse bølgene, dvs. deres kapasitet til å injisere og akselerere plasmaelektronene.”

Det nylige arbeidet til Wan og hans kolleger er basert på en tidligere proof-of-principle-studie han utførte med sitt tidligere forskerteam ved Tsinghua University i Kina. Denne forrige studien bekreftet i hovedsak gjennomførbarheten av å avbilde svakere lineære sinusbølger (dvs. naturlige representasjoner av hvor mange ting og systemer i naturen endrer tilstand over tid).

“For direkte å observere den svært ikke-lineære plasmabølgen som er mest populært for elektronakselerasjon, konstruerte vi to høyeffekts laserplasmaakseleratorer ved å bruke vårt doble 100 TW lasersystem ved WIS,” forklarte Wan. “Dette systemet produserer en høyenergi-elektronprobe med høy ladning, og det andre produserer et svært ikke-lineært plasma-våkfelt som skal sonderes. I denne utforskende studien har vi testet denne nye avbildningsteknikken til dets ytterste grenser, på jakt etter de fine feltstrukturene inne i ikke-lineære plasmabølger.”

Det første målet med eksperimentet utført av Wan og hans kolleger ved WIS var å observere plasmabølger i detalj. Etter å ha gjort dette, innså teamet imidlertid at ikke-lineære plasmabølger avvek sondepartikler på mer interessante og overraskende måter, og virket gjennom både elektriske og magnetiske felt.

“Når vi dechiffrerte denne informasjonen med teoretiske og numeriske modeller, identifiserte vi funksjonene som korrelerer direkte med den tette elektronspissen på baksiden av den dannede ‘plasmaboblen’,” sa Wan. “Så vidt vi vet, er dette den første målingen av slike fine strukturer inne i den ikke-lineære plasmabølgen.”

Wan og kollegene hans økte deretter kraften til driverlaseren som ble brukt i eksperimentet deres. Dette tillot dem å identifisere den såkalte “bølgebrytingen”, tilstanden som en plasmabølge ikke lenger kan vokse etter, så den fanger i stedet plasmaelektroner i sitt akselererende felt. Bølgebryting er et grunnleggende fysisk fenomen, spesielt i plasma.

“Den første viktige prestasjonen av arbeidet vårt er avbildningen av de ekstremt sterke feltene til relativistiske plasmaer, ettersom den utnytter en unik egenskap ved slike laserplasmaakseleratorer – strålevarigheten på få femtosekunder og mikrometerstrålekildestørrelsen, som gir ultra -høy spatiotemproal oppløsning for å fange de mikroskopiske fenomenene som kjører på lysets hastighet,” sa Wan. “Ved å avbilde plasmabølgen, observerte vi også direkte den subtile prosessen med “bølgebryting”, som i seg selv var en fantastisk opplevelse.”

Bemerkelsesverdig nok ville målingen samlet av dette teamet av forskere være umulig å oppnå ved å bruke noen av de eksisterende konvensjonelle akseleratorene basert på radiofrekvensteknologi. I fremtiden vil arbeidet deres kunne inspirere andre team til å utvikle lignende eksperimentelle metoder for å observere de mange nyansene i plasma videre.

“Bølgebryting er også avgjørende for plasmabaserte akseleratorer, på grunn av produksjonen av relativistiske elektroner fra selvinjeksjon,” sa Wan. “Denne injeksjonsmekanismen er ganske viktig i ett-trinns multi-GeV-akseleratorer der det er vanskelig å opprettholde den kontrollerte injeksjonen over lang driftstid.”

Dette nylige arbeidet til Wan og hans kolleger kan ha mange viktige implikasjoner for utvikling og bruk av laserplasmaakseleratorer. Mest bemerkelsesverdig introduserer den et verdifullt verktøy for å identifisere selvinjeksjonsprosessen for elektroner i sanntid, noe som vil tillate forskere å finjustere akseleratorer og forbedre kvaliteten på strålene deres.

“Vi har nå et unikt og kraftig verktøy for å utforske ekstreme felt for å undersøke mange andre grunnleggende spørsmål i et bredere spekter av plasmaparametere som er relevante for fysikk, inkludert partikkelstråledrevet wakefield, stråle-plasma-interaksjon og fusjonsrelatert plasmadynamikk.” Prof. Victor Malka, hovedforsker av studien og gruppens hovedforsker, fortalte Phys.org. “Fremtiden er veldig spennende, og vi er utålmodige etter å gå dypere inn i utforskningen av rike fenomener i plasma fysikk.”

---

---

© 2022 Science X Network