Condições ideais para a operação mais eficiente de aceleradores de plasma a laser 17.09.2017

Os aceleradores de elétrons tradicionais há muito se tornaram um dos principais tipos de instrumentos científicos, pulsos de radiação extremamente intensos e curtos produzidos por síncrotrons e lasers de elétrons livres permitem que os cientistas estudem a matéria e os processos que ocorrem em escala atômica. Mas mesmo os menores aceleradores de elétrons agora ocupam uma área comparável à área de um campo de futebol.

Uma alternativa às tecnologias tradicionais de aceleração de elétrons é o método de aceleração laser-plasma, que, com um pequeno tamanho do acelerador, possibilita a obtenção de um feixe de elétrons acelerados de alta intensidade. Mas aceleradores desse tipo têm uma desvantagem - com a ajuda deles, é muito difícil obter um feixe estável de elétrons com brilho estável. E esse problema foi resolvido por físicos do centro de pesquisa HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf), na Alemanha, que conseguiram determinar uma série de parâmetros para criar condições operacionais ideais para um acelerador de elétrons laser-plasma.

O princípio subjacente à tecnologia de aceleração laser-plasma é bastante simples, um poderoso feixe de laser é focado em um meio gasoso, que sob sua influência se transforma em plasma, em um estado ionizado da matéria. A energia do feixe de laser faz com que os elétrons deixem seus átomos "nativos", o que cria uma espécie de "bolha" de um forte campo elétrico no volume do plasma. Essa região do campo elétrico, que segue o pulso da luz do laser, é uma onda que viaja quase na velocidade da luz. E os elétrons presos na crista dessa onda também são acelerados quase à velocidade da luz. A exposição desses elétrons a um pulso adicional de luz laser produz pulsos de raios-X brilhantes e ultracurtos, com a ajuda dos quais os cientistas "vêem" as amostras estudadas de vários materiais.

A intensidade da radiação secundária de raios X depende diretamente do número de elétrons de alta energia envolvidos nesse processo. No entanto, quando um grande número de elétrons é acelerado, a onda de plasma decai devido à influência de efeitos associados a esses elétrons e seu campo elétrico, o que, além disso, afeta negativamente a forma do feixe. A forma distorcida do feixe e a instabilidade da onda de plasma levam ao fato de que o feixe contém elétrons com diferentes níveis de energia e outros parâmetros.

"Mas para poder usar um feixe de elétrons para experimentos de alta precisão, é necessário um feixe estável composto por elétrons com os mesmos parâmetros", diz o físico Jurjen Pieter Couperus, "todos os elétrons no feixe devem estar na posição correta. lugar na hora certa."

Os cientistas da HZDR realizaram uma série de trabalhos destinados a melhorar a qualidade do feixe de elétrons produzido por aceleradores de laser-plasma. Eles descobriram que adicionar uma pequena quantidade de nitrogênio ao hélio, que é usado para criar plasma, melhorou muito a situação. "Podemos controlar o número de elétrons na onda de plasma alterando a concentração de nitrogênio", explica Jurien Peter Kuperus, "Em nossos experimentos, descobrimos que o caso ideal é quando a onda de plasma carrega elétrons com uma carga total de exatamente 300 picocoulombs. Mesmo o menor desvio desse valor em qualquer direção leva à dissipação de energia, o que reduz a qualidade do feixe gerado."

Os cálculos realizados mostraram que, para gerar um de alta qualidade, ainda é necessário que o pico de corrente de movimento de elétrons na crista da onda de plasma seja de pelo menos 50 quiloamperes.

“Usando os pulsos ultracurtos do laser petawatt da DRACO, seremos capazes de gerar um feixe de elétrons de alta qualidade com uma corrente de pico de 150 quiloamperes”, diz Jurien Peter Kuperus, “Isso excederá as capacidades de todos os aceleradores de elétrons modernos de grande escala em até duas ordens de magnitude. E isso nos permitirá criar fontes de raios-X de próxima geração muito compactas".