Kompakt elektronakselerator når nye hastigheter uten annet enn lys

Forskere som utnytter presis kontroll av ultraraske lasere har akselerert elektroner over en 20-centimeters strekning til hastigheter som vanligvis er reservert for partikkelakseleratorer på størrelse med 10 fotballbaner.

Et team ved University of Maryland (UMD) ledet av professor i fysikk og elektro- og datateknikk Howard Milchberg, i samarbeid med teamet til Jorge J. Rocca ved Colorado State University (CSU), oppnådde denne bragden ved å bruke to laserpulser sendes gjennom en stråle av hydrogengass. Den første pulsen rev fra hverandre hydrogenet, slo et hull gjennom det og skapte en plasmakanal. Den kanalen ledet en andre, høyere effektpuls som øset opp elektroner ut av plasmaet og dro dem med seg i kjølvannet, og akselererte dem til nesten lysets hastighet i prosessen.

Med denne teknikken akselererte teamet elektronene til nesten 40 % av energien oppnådd ved massive anlegg som den kilometerlange Linac Coherent Light Source (LCLS), akseleratoren ved SLAC National Accelerator Laboratory. Oppgaven ble akseptert til tidsskriftet Fysisk gjennomgang X 1. august 2022.

“Dette er den første multi-GeV elektronakseleratoren drevet utelukkende av lasere,” sier Milchberg, som også er tilknyttet Institute of Research Electronics and Applied Physics ved UMD. “Og med lasere som blir billigere og mer effektive, forventer vi at teknikken vår vil bli veien å gå for forskere på dette feltet.”

Som motiverer til det nye arbeidet er akseleratorer som LCLS, en kilometer lang rullebane som akselererer elektroner til 13,6 milliarder elektronvolt (GeV) – energien til et elektron som beveger seg med 99,99999993 % av lysets hastighet. LCLSs forgjenger står bak tre nobelprisvinnende funn om fundamentale partikler. Nå er en tredjedel av den originale akseleratoren konvertert til LCLS, ved å bruke de superraske elektronene til å generere de kraftigste røntgenlaserstrålene i verden. Forskere bruker disse røntgenstrålene til å se inn i atomer og molekyler i aksjon, og lager videoer av kjemiske reaksjoner. Disse videoene er viktige verktøy for legemiddeloppdagelse, optimalisert energilagringinnovasjon innen elektronikk og mye mer.

Å akselerere elektroner til energier på titalls GeV er ingen enkel prestasjon. SLACs lineære akselerator gir elektronene det dyttet de trenger ved å bruke kraftige elektriske felt som forplanter seg i en veldig lang serie med segmenterte metallrør. Hvis de elektriske feltene var noe kraftigere, ville de sette i gang en lynstorm inne i rørene og skade dem alvorlig. Siden de ikke er i stand til å presse elektroner hardere, har forskere valgt å bare presse dem lenger, noe som gir mer rullebane for partiklene å akselerere. Derav den kilometerlange skiven over det nordlige California. For å bringe denne teknologien til en mer håndterlig skala, jobbet UMD- og CSU-teamene for å øke elektronene til nesten lysets hastighet ved å bruke – passende nok – selve lyset.

“Målet til syvende og sist er å krympe elektronakseleratorer i GeV-skala til et rom av beskjeden størrelse,” sier Jaron Shrock, en doktorgradsstudent i fysikk ved UMD og medforfatter av arbeidet. “Du tar enheter i kilometerskala, og du har en annen faktor på 1000 sterkere akselererende felt. Så, du tar kilometerskala til meterskala, det er målet med denne teknologien.”

Å lage de sterkere akselererende feltene i et laboratorium bruker en prosess som kalles laser wakefield akselerasjon, der en puls av tett fokusert og intens laserlys sendes gjennom et plasma, skaper en forstyrrelse og trekker elektroner med i kjølvannet.

“Du kan forestille deg laserpulsen som en båt,” sier Bo Miao, en postdoktor i fysikk ved University of Maryland og medforfatter på arbeidet. “Når laserpulsen beveger seg i plasmaet, fordi den er så intens, skyver den elektronene ut av banen, som vann skjøvet til side av baugen på en båt. Disse elektronene går rundt båten og samler seg rett bak den, og beveger seg inn. pulsen våkner.”

Laser våknefeltakselerasjon ble først foreslått i 1979 og demonstrert i 1995. Men avstanden som den kunne akselerere elektroner over forble hardnakket begrenset til et par centimeter. Det som gjorde UMD- og CSU-teamet i stand til å utnytte wakefield-akselerasjon mer effektivt enn noen gang før, var en teknikk UMD-teamet var pioner for å temme høyenergistrålen og hindre den fra å spre energien for tynn. Teknikken deres slår et hull gjennom plasmaet, og skaper en bølgeleder som holder strålens energi fokusert.

“En bølgeleder lar en puls forplante seg over en mye lengre avstand,” forklarer Shrock. “Vi må bruke plasma fordi disse pulsene har så høy energi, de er så lyse at de vil ødelegge en tradisjonell fiber optisk kabel. Plasma kan ikke ødelegges fordi det på en eller annen måte allerede er det.”

Teknikken deres skaper noe som ligner på fiberoptiske kabler – tingene som bærer fiberoptiske internettjenester og andre telekommunikasjonssignaler – ut av løse luften. Eller, mer presist, ut av nøye skulpturerte stråler av hydrogengass.

En konvensjonell fiberoptisk bølgeleder består av to komponenter: en sentral “kjerne” som leder lyset, og en omgivende “kledning” som hindrer lyset i å lekke ut. For å lage plasmabølgelederen deres, bruker teamet en ekstra laserstråle og en stråle med hydrogengass. Når denne ekstra “veiledende” laseren beveger seg gjennom strålen, river den elektronene av hydrogenatomene og skaper en plasmakanal. Plasmaet er varmt og begynner raskt å ekspandere, og skaper en plasma-“kjerne” med lavere tetthet og en gass med høyere tetthet på kanten, som et sylindrisk skall. Deretter sendes hovedlaserstrålen (den som samler elektroner i kjølvannet) gjennom denne kanalen. Selve forkanten av denne pulsen forvandler skallet med høyere tetthet til plasma også, og skaper “bekledningen”.

“Det er på en måte som den aller første pulsen fjerner et område,” sier Shrock, “og så kommer høyintensitetspulsen ned som et tog med noen som står foran og kaster ned sporene mens den går.”

Ved å bruke UMDs optisk genererte plasmabølgelederteknikk, kombinert med CSU-teamets kraftige laser og ekspertise, klarte forskerne å akselerere noen av elektronene deres til svimlende 5 GeV. Dette er fortsatt en faktor på 3 mindre enn SLACs massive akselerator, og ikke helt det maksimale oppnådd med laser wakefield-akselerasjon (den æren tilhører et team ved Lawrence Berkeley National Labs). Laserenergien som brukes per GeV akselerasjon i det nye arbeidet er imidlertid rekord, og teamet sier at teknikken deres er mer allsidig: Den kan potensielt produsere elektronutbrudd tusenvis av ganger per sekund (i motsetning til omtrent en gang per sekund), noe som gjør det en lovende teknikk for mange applikasjoner, fra høy energi fysikk til generering av røntgenstråler som kan ta videoer av molekyler og atomer i aksjon som ved LCLS. Nå som teamet har demonstrert suksessen til metoden, planlegger de å avgrense oppsettet for å forbedre ytelsen og øke akselerasjonen til høyere energier.

“Akkurat nå genereres elektronene langs hele lengden av bølgelederen, 20 centimeter lang, noe som gjør energifordelingen deres mindre enn ideell,” sier Miao. “Vi kan forbedre designet slik at vi kan kontrollere hvor de presist injiseres, og så kan vi bedre kontrollere kvaliteten på den akselererte elektronstrålen.”

Mens drømmen om LCLS på en bordplate ikke er en realitet ennå, sier forfatterne at dette verket viser en vei fremover. “Det er mye ingeniørvitenskap og vitenskap som skal gjøres mellom nå og da,” sier Shrock. “Tradisjonelle akseleratorer produserer svært repeterbare stråler med alle elektronene som har lignende energier og beveger seg i samme retning. Vi lærer fortsatt hvordan vi kan forbedre disse stråleattributtene i multi-GeV laser wakefield akseleratorer. Det er også sannsynlig at for å oppnå energier på skalaen til titalls GeV, vil vi trenge å iscenesette flere våknefeltakseleratorer, og sende de akselererte elektronene fra ett trinn til det neste samtidig som vi bevarer strålekvaliteten. Så det er en lang vei mellom nå og å ha en LCLS-type anlegg som er avhengig av laser wakefield akselerasjon.”

---

---