Миниатюризация ускорителей: успешное удвоение энергии электронов на коротком участке плазмы указывает на возможность радикального уменьшения размеров и стоимости крупных установок
Учёные из SLAC National Accelerator Laboratory (Министерство энергетики США) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали плазменный ускоритель, способный одновременно генерировать электронные пучки высокой энергии и высокой яркости. Разработка может привести к значительному уменьшению размеров будущих коллайдеров и рентгеновских лазеров на свободных электронах.
В новом устройстве используется плазменный кильватерный ускоритель (PWFA — технология, использующая плазму для создания электрических полей, которые разгоняют частицы на гораздо более коротких дистанциях, чем традиционные ускорители), в котором электроны набирают энергию, «скользя» по плазменной волне, а не от электромагнитного поля внутри металлических структур обычных ускорителей.
Ускоритель, работающий на уникальных электронных пучках из установки FACET-II в SLAC, более чем удвоил энергию вновь созданных электронов в 4-метровой плазменной камере. Для достижения аналогичного результата с помощью традиционного линейного ускорителя потребовалась бы установка длиной более километра. Кроме того, яркость пучка возросла более чем в 10 раз.
В PWFA первый электронный сгусток проходит через плазму, возбуждая плазменную волну. Затем второй электронный сгусток «скользит» по этой волне, набирая всё большую энергию. Учёные из UCLA разработали новый источник плазмы, интегрирующий различные функции в три этапа. На первом этапе плазма фокусирует возбуждающий сгусток до размера, диаметром меньше человеческого волоса, создавая за собой «пузырь», аналогичный кильватерному следу за лодкой. На втором этапе плотность плазмы резко падает, что приводит к быстрому расширению «пузыря». Это захватывает электроны плазмы и формирует новый электронный сгусток в задней части. На последнем этапе этот новый сгусток «скользит» по плазменной волне, получая значительный прирост энергии.
Исследователи обнаружили, что их установка создаёт новые сгустки с энергией, более чем вдвое превышающей энергию возбуждающего сгустка. Кроме того, яркость сгустка увеличилась в 10 раз. Увеличение яркости вновь созданного сгустка оказалось проще, чем для вводимого сгустка.
В будущем команда планирует получить ещё более яркие сгустки с другими желаемыми характеристиками. По словам Агостино Маринелли, профессора фотонных наук и физики частиц и астрофизики в SLAC, плазменный кильватерный ускоритель может стать источником пучков для плазменной аттосекундной рентгеновской техники, что позволит расширить научную программу LCLS (Linac Coherent Light Source) — рентгеновского лазера на свободных электронах.