Dalam beberapa dekade terakhir, jenis baru akselerator plasma laser telah dikembangkan dengan cepat. Dibandingkan dengan akselerator frekuensi radio tradisional, akselerator plasma laser memiliki keunggulan signifikan dalam hal gradien akselerasi dan ukuran berkas sinar. Akselerator frekuensi radio tradisional menggunakan medan elektromagnetik berosilasi di rongga pemandu gelombang untuk mempercepat partikel bermuatan, yang dibatasi oleh kekuatan rusak listrik dari media yang dipercepat, dan penguatan energi umumnya ~ 100MV / m. Media percepatan akselerator plasma laser adalah plasma, dan gradien percepatannya umumnya di atas 100GV / m, yang setidaknya 3 lipat lebih tinggi daripada akselerator frekuensi radio tradisional. Oleh karena itu, akselerator plasma laser dapat direalisasikan di atas meja, dibandingkan dengan jarak percepatan beberapa kilometer pada akselerator tradisional. Ukuran yang ringkas dan biaya rendah telah mendorong perkembangan pesat penelitian akselerasi plasma laser. Selain itu, percepatan plasma laser memiliki skala waktu dari ps hingga fs. Karakteristik ultra-pendek ini membuat berkas elektron dan sumber sekunder (sinar-X, sinar gamma, proton, neutron, dll.) Yang dihasilkan oleh berkas elektron menjadi probe yang ideal untuk mempelajari dinamika molekul dan atom ultra cepat. Selain itu, karakteristik berkas elektron yang sangat pendek juga mengarah pada kekuatan arus berkas sangat tinggi, yang memiliki prospek aplikasi yang penting.
Namun, karena hubungan kontradiktif antara percepatan medan listrik dan kerapatan plasma selama percepatan plasma laser, jumlah muatan elektron yang dipercepat menjadi penghambat percepatan laser. Dalam interaksi antara laser dan target gas densitas rendah, sudut divergensi gugus berkas elektron bisa sangat kecil, tetapi jumlah muatan umumnya dibatasi hingga puluhan pico. Dalam interaksi antara laser dan target padat densitas tinggi, muatan berkas elektron Jumlahnya bisa mencapai beberapa nanocubes, namun skala medan listrik collimated terlalu pendek dan memiliki sudut divergensi berkas yang besar. Saat ini, percepatan plasma laser tidak dapat memperoleh berkas elektron dengan sudut divergensi kecil dan muatan besar.
Baru-baru ini, tim peneliti yang dipimpin oleh Peneliti Chen Liming dan Akademisi Zhang Jie dari Institute of Physics of the Chinese Academy of Sciences / National Research Center for Optical Physics, Beijing National Research Center for Condensed Matter Physics, telah melaporkan untuk pertama kalinya di dunia teori relativitas dengan muatan yang sangat tinggi dan divergensi cluster berkas yang sangat kecil. Berkas elektron. Artikel tersebut baru-baru ini diterbitkan di PNAS, Prosiding National Academy of Sciences. Dr. Ma Yong, penulis pertama makalah ini, saat ini adalah rekan postdoctoral di University of Michigan.
Tim menggunakan laser Titan (daya: 200TW, lebar pulsa: 1ps) dari Laboratorium Nasional Lawrence Livermore di Amerika Serikat untuk berinteraksi dengan target tembaga padat (Gambar 1), menghasilkan muatan ~ 100 nanocubes dan sudut divergensi kurang dari 3 derajat ( Gambar 2, 3), berkas elektron relativistik dengan struktur spektrum energi kuasi-tunggal. Kualitas berkas elektron dapat dikontrol dengan baik dengan mengatur kontras dan energi denyut laser. Melalui analisis teoritis dan simulasi numerik, jenis baru mekanisme percepatan juga terungkap: pra-plasma dengan kepadatan hampir kritis dihasilkan oleh ionisasi laser pra-pulsa pada permukaan padat sebelumnya; pulsa utama terjadi pada pra-plasma pada sudut yang besar dan mengalami efek filamen sendiri di dalamnya , Bagian dari filamen akan dipantulkan oleh permukaan kerapatan kritis untuk membentuk saluran dalam plasma dengan kerapatan rendah; medan listrik laser akan mempercepat sekelompok elektron di setiap siklus optik, dan kelompok elektron ini akan dipercepat menjadi muatan yang sangat tinggi di saluran plasma Berkas elektron dicubit secara lateral oleh medan elektromagnetik yang sangat tinggi di saluran, sehingga memiliki tingkat kolimasi yang tinggi (Gambar 4). Dengan menganalisis sumber perolehan energi elektron, ditemukan bahwa berbeda dari percepatan elektron medan bangun pada umumnya, energi elektron di saluran terutama berasal dari percepatan langsung medan listrik laser yang lebih tinggi dari intensitas medan listrik gelombang plasma (Gambar 4E), sedangkan saluran plasma Perannya adalah untuk terus menyediakan sumber elektron, memandu pulsa laser, dan mencubit berkas elektron, sehingga membentuk struktur percepatan yang lengkap.
Berkat jumlah muatan yang sangat tinggi dan lebar pulsa ultra-pendek dari gugus elektron, arus puncak berkas elektron yang dihasilkan dalam percobaan melebihi 100kA. Kecerahan berkas elektron mencapai 10 ^ 16A / m ^ 2, yang sebanding dengan kecerahan elektron tertinggi akselerator tradisional saat ini. Jenis gugus elektron ini sangat menjanjikan untuk menggerakkan material yang hangat dan padat atau bahkan yang padat secara termal. Misalnya, jika semua energi berkas elektron ini diendapkan pada bahan Z tinggi, seperti emas, kerapatan energi materi yang sesuai bisa setinggi 10 ^ 12J / m ^ 3, yang lebih tinggi daripada SLAC X- yang telah banyak digunakan untuk menggerakkan bahan yang hangat dan padat. Kepadatan energi laser elektron bebas sinar. Selain itu, gugus berkas elektron terkolimasi dengan muatan tinggi juga dapat digunakan untuk menggerakkan sumber sinar gamma fluks tinggi, elektroradiografi tembakan tunggal, dan bahkan diharapkan dapat digunakan sebagai penyala untuk mendorong penelitian pengapian cepat fusi inersia kurungan.
Pekerjaan ini didanai oleh National Natural Science Foundation of China, National Key Basic Research and Development Program, dan Chinese Academy of Sciences Pilot Project.
Gbr. 1 Diagram tata letak percobaan.
Gbr.2 Distribusi spasial berkas elektron. A dan B sesuai dengan situasi yang berbeda dari intensitas pra-denyut rendah dan intensitas pra-denyut tinggi.
Gambar. 3 Perubahan muatan berkas elektron dan sudut divergensi dengan energi laser pra-pulsa.
Gambar 4 Hasil simulasi numerik. (A, B) Distribusi intensitas laser, (C, D) Distribusi kerapatan plasma. E, distribusi ruang fase perolehan energi berkas elektron. F, spektrum energi berkas elektron dan distribusi sudut.
Editor: Cloudiiink
10 Artikel Populer Terbaru
Klik judul untuk melihat