Физики увеличили пиковую мощность электронного пучка в пять раз

Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC разработали электронный пучок с чрезвычайно короткой длительностью, превосходящий все аналогичные эксперименты на планете по пиковой мощности в пять раз.

Этот прорыв решает ключевую проблему в физике ускорителей частиц и открывает новые перспективы для изучений в области квантовой химии, астрофизики и науки о материалах.

«Мы не только создали столь мощный электронный пучок, но и обрели возможность точно регулировать его параметры по мере необходимости. Это позволяет изучать более широкий диапазон физических и химических процессов, чем когда-либо прежде», — пояснил Клаудио Эмма, ведущий научный сотрудник SLAC и один из ведущих авторов исследования.

Обычно для сжатия и фокусирования электронных пучков используют микроволновые поля, где электроны располагаются в ступенчатом порядке: задние имеют большую энергию, чем передние. Однако при ускорении электроны начинают излучать радиацию и теряют энергию, что отрицательно сказывается на качестве пучка.

Чтобы преодолеть эту трудность, исследователи SLAC применили методику лазерного формирования, изначально разработанную для рентгеновских лазеров на свободных электронах. С её помощью удалось сжать миллиарды электронов до размеров менее одного микрометра.

«Главное преимущество использования лазера — это возможность гораздо более точного создания энергетической модуляции по сравнению с микроволновыми полями», — объяснил Эмма. Он также упомянул сложность процесса: лазер воздействует на пучок на первых 10 метрах километрового ускорителя, после чего модифицированный пучок необходимо транспортировать без потерь на расстояние ещё одного километра и сжать.

После нескольких месяцев испытаний команда научилась систематически получать высокоэнергетические электронные пучки фемтосекундной длительности с пиковой мощностью в петаватты, что в пять раз превосходит предыдущие достижения.

Новый электронный пучок открывает перед учёными возможности изучения разнообразных природных явлений. В астрофизике, например, его можно направить на твердые или газовые мишени для создания структур, сходных с теми, что наблюдаются в звездах. Учёные уже используют его для разработки технологий плазменного кильватерного ускорения.

Особый интерес вызывает возможность дальнейшего сжатия таких пучков для создания аттосекундных световых импульсов, что значительно расширит функционал установки LCLS и может привести к новым научным открытиям.

«В нашем распоряжении уникальная установка FACET-II, где исследователи могут проводить свои эксперименты», — отметил Эмма.

Источник: iXBT