Ultra-kompaktní urychlovač částic udělá míli práci se čtyřmi palci

USA mají pouze dva urychlovače, které dokážou produkovat 10 miliard elektronvoltových paprsků částic a každý z nich je dlouhý asi 3 km. „Nyní můžeme dosáhnout těchto energií v 10 cm (4 palce),“ řekl generální ředitel společnosti TAU Systems, která postavila ultrakompaktní urychlovač.

To je délka héliem naplněné plynové komory, kde dochází ke skutečnému zrychlení v zařízení, které TAU nedávno testovalo. Tento kompaktní pokročilý akcelerátor wakefield také vyžaduje ke svému chodu monstrum laseru – v tomto případě Texas Petawatt Laser, který je umístěn na 34 stop (10 m) dlouhém stole v Centru pro vědu o vysoké energetické hustotě na univerzitě. z Texasu v Austinu.

Toto zvíře, jeden z nejvýkonnějších laserů na světě, vysílá ultraintenzivní záblesky laserového světla o energetických úrovních asi 1000krát větší, než je celá instalovaná kapacita celých USA – ale pouze jednou za hodinu a pouze po dobu 150 femtosekund, tedy o něco méně než miliardtinu času potřebného k výboji blesku.

Celé zařízení TAU je dlouhé méně než 20 m a vysílá paprsky o pozoruhodných 10 GeV. Činí tak pomocí upravené verze akcelerační techniky pro wakefield, která byla poprvé popsána v roce 1979 a v současné době se používá v mnoha projektech akcelerátorů.

Pravidelný urychlovač částic je ve skutečnosti řada prstenců, na které je přivedeno kladné napětí a mohou přitahovat elektrony. Kroužky jsou napájeny sekvenčně, tahají elektrony tunelem stále rychleji a pokaždé se vypnou dříve, než k němu elektron dosáhne.

Texaská univerzita v Austinu

Laserem řízený urychlovač wakefieldu však víceméně přeměňuje světelný puls sám na elektromagnet o rychlosti světla, což způsobuje, že se za ním pronásledují částice a získávají mimořádnou rychlost a energii na velmi krátkou vzdálenost.

Zařízení TAU využívá malou komoru naplněnou plynným heliem. Když Petawatt Laser vystřelí světelný pulz tímto plynem, obrovská energie pulzu ionizuje plyn na plazmu. A jak se řítí touto plazmou, puls za sebou zanechává brázdu, něco jako loď opouští, když cestuje vodou – kromě tohoto případu vytváří stopu extrémně silných fluktuací elektrického náboje.

Pokud vstříknete elektron ve správný čas, tyto masivní pohybující se náboje jej táhnou a tlačí podél světelného pulzu, vysávají energii (ale ne rychlost) původního laserového pulzu a přenášejí jej na urychlený elektron, který jej pohání „dobrý zlomek rychlosti světla“ na krátkou vzdálenost, podle The Thought Emporium.

Klíčovým pokrokem TAU v tomto zařízení je pomocný ablační laser, který vystřeluje přesně načasované výboje na kovovou desku uvnitř plynového článku a vstřikuje do komory proud kovových nanočástic, které mohou zvýšit energii dodávanou elektronům, když následují výboje laseru. .

Texaská univerzita v Austinu

„Je těžké dostat se do velké vlny, aniž bychom se nechali přemoci, takže surfaři se nechají vtáhnout vodními skútry,“ řekl Bjorn „Manuel“ Hegelich, docent fyziky na UT a generální ředitel společnosti TAU Systems. „V našem urychlovači jsou ekvivalentem vodních skútrů nanočástice, které uvolňují elektrony ve správný okamžik a ve správný čas, takže všechny sedí ve vlně. Dostaneme mnohem více elektronů do vlny, kdy a kde chceme, aby byly, spíše než statisticky rozložené v celé interakci, a to je naše tajná omáčka.“

Hegelich a jeho tým vyvíjejí vlastní laserový systém velikosti stolní desky, který podle nich učiní celý systém ještě kompaktnějším a bude vystřelovat tisícekrát za sekundu místo jednou za hodinu.

K čemu tedy bude ultrakompaktní, vysokoenergetický urychlovač částic dobrý? Možná k řízení rentgenového laseru s volnými elektrony, který by mohl potenciálně pořizovat zpomalená videa v atomovém nebo molekulárním měřítku. Mohlo by to být také užitečné při testování toho, jak dobře mohou elektronické součástky určené pro vesmírný let odolat radiaci, k zobrazení vnitřních struktur polovodičových čipů ve 3D a potenciálně k vývoji nových způsobů léčby rakoviny a pokročilé lékařské zobrazovací technologie.

Výzkumná zpráva týmu je k dispozici v časopise Hmota a záření v extrémech.

Zdroj: Texaská univerzita v Austinu