Fünfmal leistungsfähiger als Vorgänger

Wissenschaftler haben einen ultraspurigen Elektronenstrahl mit fünfmal mehr Spitzenstrom geschaffen als jeder andere ähnliche Strahl auf der Erde.

Beschrieben in a Papier veröffentlicht in Physische ÜberprüfungsbriefeDiese Leistung befasst sich mit einer der großen Herausforderungen des Partikelbeschleuniger- und Strahlphysiks und öffnet die Tür für neue Entdeckungen in einem breiten Bereich wissenschaftlicher Bereiche, einschließlich Quantenchemie, Astrophysik und Materialwissenschaft.

„Not only can we create such a powerful electron beam, but we’re also able to control the beam in ways that are customizable and on demand, which means we can probe a much wider range of physical and chemical phenomena than ever before,“ said Claudio Emma, ​​a staff scientist at the Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory, who is a researcher at SLAC’s Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET-II) and a lead Autor der neuen Studie.

Die Leistungsbilanz

Wie in der umrissen Beschleuniger- und Strahlphysik -Roadmap Veröffentlicht im Jahr 2022 war eine der größten Herausforderungen für Physiker, die bis heute – Elektronenstrahlen herstellen konnten, die weitaus leistungsstärker sind und gleichzeitig die Strahlqualität bewahren.

Traditionell wird ein Mikrowellenfeld verwendet, um den Elektronenstrahl zu komprimieren und zu fokussieren. Die Elektronen innerhalb des Feldes sind gestaffelt, so dass diese weiterhin mehr Energie haben als die vorne. Es ist so, als ob Läufer zu Beginn eines Track -Rennens gestaffelt sind, erklärte Emma.

„Wir schicken sie dann um eine Kurve, sodass die Elektronen im hinteren Teil mit Elektronen vorne und am Ende eine Reihe von Elektronen in einem fokussierten Strahl zusammen haben.“

Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass Elektronen beim Beschleunigen von Strahlung ausstrahlen und Energie verlieren, sodass sich die Qualität des Strahls verschlechtert. Dies schafft einen Kompromiss zwischen Strahlergie und Qualität. „Wir können keine herkömmlichen Methoden anwenden, um Elektronenströme auf der Submikron -Skala zu komprimieren und gleichzeitig die Strahlqualität beizubehalten“, sagte Emma.

Laser für den Sieg

Um dieses Problem zu lösen, komprimierte SLAC-Forscher Milliarden von Elektronen zu einer Länge von weniger als einem Mikrometer unter Verwendung einer Laserbasis-Formungstechnik, die ursprünglich für Röntgen-Freielektronenlaser wie die LINAC Coherent Light Source (LCLS) von SLAC (LCLS) entwickelt wurde.

„Der große Vorteil der Verwendung eines Lasers besteht darin, dass wir eine Energiemodulation anwenden können, die viel genauer ist als das, was wir mit Mikrowellenfeldern tun können“, sagte Emma.

Aber es ist nicht so einfach, nur ein paar Laser einen Tunnel hinunter zu schießen. „Wir haben eine ein Kilometer lange Maschine, und der Laser interagiert in den ersten 10 Metern mit dem Strahl, sodass Sie die Formung genau richtig machen müssen. Dann müssen Sie den Strahl für einen weiteren Kilometer transportieren, ohne diese Modulation zu verlieren, und Sie müssen ihn komprimieren“, sagte Emma. „Also war es nicht einfach.“

Nach mehreren Monaten des Tests und der Finanzierung ihrer Laserformungstechnik können Emma und sein Team nun wiederholt hohe Energie, Femtosekundendauer, produzieren, Petawatt Peak Power Electron Beams, die etwa fünfmal höher sind als zuvor erreicht werden konnte.

Ein unglaubliches neues Werkzeug

Mit diesem neuen Strahl können Wissenschaftler eine ganze Reihe natürlicher Phänomene untersuchen, einschließlich Testhypothesen in Quantenphysik, Materialwissenschaft und Astrophysik.

In der Astrophysik kann dieser Strahl beispielsweise auf ein Fest- oder Gasziel gerichtet werden, um ein Filament zu erzeugen, das denen in Sternen ähnelt. „Wissenschaftler wissen, dass diese Filamente auftreten, aber jetzt können wir testen, wie sie auftreten, und sich im Labor mit einer Machtstufe entwickeln, die wir noch nie hatten“, sagte Emma.

Kollegen Facet-II-Forscher stürzten sich auf den leistungsstärkeren Strahl und haben ihn bereits auf die Weiterentwicklung der Plasma-Wakefield-Technologie angewendet. Emma freut sich besonders über die Aussicht, diese Strahlen weiter zu komprimieren, um leichte Pulse für Attosekunden herzustellen, die aktuellen Fähigkeiten der LCLS weiter zu verbessern und noch mehr wegweisende Wissenschaft zu fördern.

„Wenn Sie den Strahl als schnelle Kamera haben, haben Sie auch einen leichten Puls, der sehr kurz ist, und jetzt haben Sie plötzlich zwei komplementäre Sonden“, erklärte Emma. „Das ist eine einzigartige Fähigkeit und wir können viele Dinge damit tun.“

Emma und seine Kollegen freuen sich über die Aussichten, die dieser neue Elektronenstrahl bringen wird.

„Wir haben eine wirklich aufregende und interessante Einrichtung bei Facet-II, in der Menschen kommen und ihre Experimente durchführen können“, sagte er. „Wenn Sie einen extremen Strahl benötigen, haben wir das Werkzeug für Sie und lasst uns zusammenarbeiten.“