物理学者は、レーザープラズマ加速器の連続運転の時間の記録を打ち立てました

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ビデオ: 「技術開発を加速させる低温プラズマの解析及び可視化技術」 千葉工業大学 工学部 電気電子工学科 教授 小田 昭紀 2023, 2月
物理学者は、レーザープラズマ加速器の連続運転の時間の記録を打ち立てました
物理学者は、レーザープラズマ加速器の連続運転の時間の記録を打ち立てました
Anonim
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ドイツの科学者たちは、27時間以上にわたってレーザープラズマ電子加速器の安定した動作を達成しています。セットアップの継続的な操作により、加速パラメーターの変動を絞り込み、大きな統計を収集することが可能になり、研究者はそこからレーザーパラメーターと最大電子エネルギーの振動との相関関係を分離することができました。その結果、物理学者は、粒子の最終エネルギーの変動を10分の1パーセントの精度でシミュレートすることを学びました。将来的には、この方法は、加速中に直接電子ビームの能動的安定化を実現するのに役立つ可能性があります。これは、応用および科学目的でのレーザープラズマ加速器の使用に必要です。記事はジャーナルPhysicalReviewXに掲載されました。

最新の加速器では、荷電粒子が高周波共振器でエネルギーを獲得します。高周波共振器は、最も単純な設置から、複雑な形状と高度な製造技術を備えた超伝導システムまで、長い道のりを歩んできました。これはすべて、そのような共振器の非常に高いコストにつながり、それらで達成可能なフィールドの基本的な制限により、粒子を1メートルあたり数十メガ電子ボルトを超える速度で加速することはできません。結果として、所望の粒子エネルギーの増加に伴い、設備のサイズおよびコストは必然的に増加する。

これらの問題を解決するために、物理学者は粒子を加速するための根本的に新しい方法を見つける必要があります。これまでで最も有望なのは、レーザープラズマ加速の方法です。これは、科学者がすでに電子の使用法を学び、無線周波数共振器を備えた設備の2倍の加速率を達成しています。この方法では、電子は、レーザー誘起プラズマ振動とそれに関連する空間電荷の再分布によって形成される場でエネルギーを獲得します。したがって、レーザープラズマ加速器では、電子はプラズマ波に「付着」し、それらに存在する電位差のために、その速度を増加させます。

しかし、この方法にはいくつかの重大な欠点があります。セットアップパラメータの変動を制御するのが難しいため、物理学者は、共振器を使用する方法の特徴である、非常に高いエネルギーまでの長距離での安定した加速をまだ達成できていません。レーザープラズマ加速器の動作におけるこれらの変動は、正式には、新しい電子の束ごとに新しい加速容量が作成され、そのパラメータ、したがって電子の最終エネルギーが強く影響を受けるという事実のために発生します。レーザーの特性の振動。その結果、レーザープラズマ加速器での高品質の電子ビーム(断面とビーム軸に沿ったエネルギーの広がりが小さい)は非常にまれであり、高度なランダム性があります。

この問題は、ハンブルク大学のAndreasMaierのグループによってLUXレーザープラズマ加速器で試みられました。セットアップは、起こりうる変動を減らすために最小限の自由度で設計され、レーザーパラメータと電子エネルギーの残りの避けられない変動は、多段監視システムを使用して注意深く監視されました。 Mayerらは、エネルギーや加速率ではなく、その品質と持続時間を優先しました。この目的のために、設備は最大レーザーエネルギーで動作せず、伝達される電荷​​と、空間およびパルスビームの断面積が減少しました。科学者たちは、ビームの平均最大エネルギーの1%の分解能を持つ分光計を使用して、加速された電子の最終エネルギーを決定しました。

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加速回路

物理学者は27時間以上にわたって加速器の安定した動作を達成することができ、その間に100,000個の電子バンチが連続的に加速され、1ヘルツの周波数で加速器に供給されました。この結果は、以前の同様の研究の成果よりも桁違いに優れており、著者は収集された統計を操作する際に高い精度を達成することができました。ビーム内の電子の平均最大エネルギーは、変動が2.4%の368メガエレクトロンボルト、ビーム内の平均電荷は変動が11%の25ピコキュロン、ビーム内の平均エネルギー拡散は54±15メガエレクトロンボルトでした。

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各ビームの電子エネルギーの時間依存性(上)と各ビームの最大エネルギー値の平均からの偏差

科学者たちは、設備内の振動の分析とそのモデリング、およびその後の実際のデータとの比較に特別な注意を払いました。物理学者は、加速器の2時間の操作からのデータを使用して、変動の主な原因と、電子バンチの最大エネルギーとの関係を確立しました。これらの理由は、主にレーザーのエネルギー、レーザー焦点の縦方向の位置、および焦点要素に当たったときのレーザーの方向でした。収集された依存関係を考慮して、研究者は、レーザーの記録されたパラメーターを使用して、加速器をさらに6時間操作した場合に、1%未満の誤差でビーム内の最大電子エネルギーの値を予測するモデルを作成しました。

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レーザーのパラメーター(黄色の線)によってモデル化され、実験で測定された(青い線)ビーム内の電子の平均最大エネルギーの値。灰色の長方形は時間間隔を示し、そのデータはシミュレーションの設定に使用されました。

著者らは、シミュレートされた変動が記録された2.4%に対して1.9%に達したため、作成されたモデルがすべての可能な変動要因を記述しているわけではないと指摘しています。したがって、セットアップ内の変動をモデル化するための提示されたアプローチの改善および追加は、さらに正確な予測を達成することを可能にすることができる。物理学者はまた、レーザープラズマ加速法を使用して、将来、縦方向および横方向の電子運動量の振動を積極的に抑制する方法を学ぶために、同様の実験を行い、同様のモデルを作成することの重要性を指摘しています。実際、新しいタイプの加速器で電子ビームを「冷却」する方法が登場する前は、後者は実際の問題ではほとんど使用できませんでした。

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