Компактные ускорители будущего: удвоение энергии электронов в плазме позволит радикально снизить стоимость и размеры научных установок

Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Министерстве энергетики США и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) представили инновационный плазменный ускоритель. Данное устройство способно одновременно генерировать электронные пучки экстремальной энергии и исключительной яркости. Это технологическое достижение открывает путь к радикальной миниатюризации будущих коллайдеров и рентгеновских лазеров на свободных электронах.

В основе разработки лежит метод кильватерного ускорения в плазме (PWFA). В отличие от традиционных установок, где частицы разгоняются электромагнитными полями внутри громоздких металлических конструкций, здесь электроны буквально «седлают» плазменную волну. Такая концепция позволяет достигать колоссального прироста энергии на значительно более коротких дистанциях.

Эксперименты, проведенные с использованием уникальных пучков установки FACET-II в SLAC, продемонстрировали впечатляющие результаты: в четырехметровой плазменной камере энергия ускоряемых электронов увеличилась более чем вдвое. Для сравнения, классическому линейному ускорителю для решения аналогичной задачи потребовалось бы сооружение протяженностью свыше километра. При этом яркость сформированного пучка выросла более чем в десять раз.

Механизм PWFA функционирует следующим образом: первичный сгусток электронов, проходя сквозь плазму, инициирует мощную волну, по которой следует второй сгусток, непрерывно набирая энергию. Физики из UCLA усовершенствовали этот процесс, внедрив трехэтапную систему управления средой. Сначала плазма фокусирует ведущий пучок до толщины, уступающей человеческому волосу, формируя за ним специфическую полость — «пузырь». Затем происходит резкий перепад плотности плазмы, заставляющий «пузырь» расширяться и захватывать новые частицы. На финальной стадии сформированный сгусток ускоряется, двигаясь по гребню плазменной волны.

В ходе испытаний было установлено, что итоговая энергия генерируемых сгустков более чем в два раза превосходит показатели инициирующего пучка. Более того, добиться десятикратного повышения яркости при таком методе оказалось существенно проще, чем при использовании традиционных систем инжекции.

В дальнейшие планы научной группы входит получение еще более качественных пучков с заданными характеристиками. По мнению Агостино Маринелли, профессора физики частиц и астрофизики в SLAC, кильватерные ускорители станут фундаментом для создания аттосекундных рентгеновских технологий. Это позволит существенно расширить возможности рентгеновского лазера LCLS (Linac Coherent Light Source) и вывести научные исследовательские программы на новый уровень.

Источник: iXBT