В мире науки ведется непрестанная гонка за компактными и мощными источниками частиц, способными раскрыть тайны Вселенной на микроскопическом уровне. Лазерно-плазменные ускорители, словно сверхоборудование из научно-фантастических фильмов, обещают революцию в этой области. Они умещаются в скромных университетских подвалах, в то время как традиционные ускорители занимают километры пространства. Но для того чтобы эти миниатюрные гиганты раскрыли свой полный потенциал, требовалось решение одной ключевой задачи: точное измерение пучков электронов, генерируемых внутри них.
Микроскопический 3D-сканер из фольги
Ученые из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) предприняли смелый шаг вперед, разработав инновационный метод диагностики, основанный на использовании обычной металлической фольги. Представьте себе: тончайшая пленка металла превращается в высокоточный 3D-сканер для невероятно быстрых и миниатюрных пучков электронов.
- Пучок со скоростью света: Электронные сгустки, ускоренные до почти световой скорости, направляются на фольгу.
- Электрический резонанс: Взаимодействие с поверхностью провоцирует движение электронов в фольге, создавая сигнал, подобный передающей антенне.
- Воссоздание образа: Этот сигнал регистрируется датчиками и позволяет ученым с невероятной точностью “восстановить” форму и структуру пучка, словно проецируя его трехмерную модель.
Этот метод, известный как когерентное оптическое переходное излучение (COTR), открывает окно в мир ультрабыстрых процессов.
От Лазерных Пузырей к Рентгеновскому Свету
Лазерно-плазменные ускорители работают по принципу “лазерного пузыря”. Сильный лазерный импульс ионизирует газ, создавая плазму – бурлящую смесь электронов и ионов. Электроны, более легкие, выталкиваются вперед, образуя электрически заряженный “пузырь”. В этот пузырь вводятся электроны, которые под действием мощного электромагнитного поля буквально катапультируются вперед, достигая невероятных скоростей за считанные сантиметры.
Такой компактный ускоритель способен сравниться по эффективности с гигантскими традиционными установками, использующими радиоволны для приведения частиц в движение.
Особый интерес представляет лазер на свободных электронах (ЛСЭ), где пучки электронов пролетают через специальный ондулятор – набор магнитов, создающих сложную траекторию. Это приводит к излучению мощных рентгеновских или ультрафиолетовых вспышек, подобных лазерным импульсам, способным запечатлеть невероятно быстрые процессы, протекающие в миллиардные доли секунды.
Открытие Новых Возможностей для Исследователей
ЛСЭ на базе плазменных ускорителей открывает двери к революционным исследованиям. Представьте: компактные и доступные установки, способные позволить университетам и исследовательским группам по всему миру изучать динамику молекул, химические реакции в режиме реального времени и даже процессы внутри живых клеток с невероятной точностью.
Ключевым фактором успеха является контроль над формой и стабильностью пучков электронов. Именно здесь новый метод измерения с использованием фольги становится незаменимым инструментом. Он позволяет ученым точно настраивать параметры ускорения, добиваясь более яркого и стабильного рентгеновского излучения в ЛСЭ.
Исследователи из HZDR уже применяют этот метод для изучения различных техник инжекции электронов в плазменный пузырь. Результаты показывают, что разные подходы приводят к образованию совершенно разных форм пучков, открывая путь к более точной настройке и управлению этими микроскопическими “лучами света”.
Лазерно-плазменные ускорители с новым методом диагностики – это не просто научная разработка, это шаг к будущему, где границы познания будут расширяться благодаря компактным, мощным и доступным инструментам.
