SLAC Создал Самый Интенсивный Субмикронный Электронный Луч в Истории – Вот На Что Он Способен
Ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC добились исторического прорыва, создав самый мощный сверхкороткий электронный луч в истории. Используя прецизионно настроенные лазеры, им удалось сжать миллиарды электронов до субмикронных размеров. В результате пиковый ток достиг 10 килоампер (кА), что в пять раз превышает любые предыдущие достижения. Эта новаторская работа открывает новые горизонты в физике ускорителей. Она также обещает значительные улучшения для инструментов вроде Рентгеновского лазера на свободных электронах (LCLS).
Как Достигли Рекордной Интенсивности?
Создание таких интенсивных и сжатых пучков — сложнейшая задача. Электроны, будучи одноименно заряженными частицами, сильно отталкиваются друг от друга. Этот эффект, известный как “пространственный заряд”, мешает сфокусировать их в малый объем. Чем плотнее сгусток, тем сильнее силы отталкивания.
Команда SLAC преодолела это ограничение с помощью хитроумной лазерной техники на установке FACET-II (Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests II). Эта установка специально предназначена для разработки новых ускорительных технологий.
Процесс сжатия включает несколько этапов:
- Начальное Ускорение: Электроны ускоряются до высоких энергий.
- Энергетическая Модуляция: Первый лазерный импульс взаимодействует с электронным сгустком в специальной магнитной системе (шикане, похожей на “слалом” для частиц). Это придает электронам разную энергию в зависимости от их положения в сгустке: одни ускоряются, другие замедляются.
- Продольное Сжатие: Проходя через следующую секцию магнитов, более энергичные электроны догоняют менее энергичные. Это сжимает сгусток по длине, делая его сверхкоротким – длительностью в фемтосекунды (квадриллионные доли секунды).
- Генерация Терагерцового Излучения: Второй, более мощный лазерный импульс направляется на сжатый электронный сгусток внутри гофрированной металлической структуры. Взаимодействие генерирует интенсивные импульсы терагерцового (ТГц) излучения.
- Поперечное Сжатие: Эти ТГц-импульсы затем используются для очень сильной фокусировки (сжатия) электронного сгустка в поперечном направлении до размеров менее одного микрометра.
Именно комбинация продольного и поперечного сжатия позволила достичь рекордного пикового тока в 10 кА при сохранении высокого качества пучка.
FACET-II: Полигон для Будущих Технологий
Установка FACET-II в SLAC является уникальным инструментом. Она предоставляет ученым возможность работать с электронными пучками высокой энергии и исследовать передовые концепции ускорителей. Именно здесь тестируются методы, которые могут лечь в основу ускорителей нового поколения. Этот недавний успех — яркое тому подтверждение.
Для Чего Нужен Такой Мощный Луч?
Достижение SLAC — это не просто рекорд ради рекорда. Сверхкороткие и сверхинтенсивные электронные пучки открывают путь к новым научным открытиям и технологиям:
Улучшение Рентгеновских Лазеров
Рентгеновские лазеры на свободных электронах, такие как LCLS и его модернизированная версия LCLS-II в SLAC, являются мощнейшими инструментами для изучения материи на атомном уровне. Они генерируют сверхъяркие и сверхкороткие рентгеновские импульсы, позволяя “снимать фильмы” о химических реакциях или наблюдать за поведением молекул. Интенсивность и качество рентгеновского излучения напрямую зависят от параметров электронного луча**, который его генерирует. Более плотные и короткие электронные сгустки позволят создавать еще более яркие и короткие рентгеновские импульсы. Это откроет возможности для изучения еще более быстрых процессов.
Исследование Экстремальных Состояний Вещества
Такие пучки идеально подходят для создания и изучения **теплой плотной материи (Warm Dense Matter, WDM)**. Это экзотическое состояние вещества существует при экстремальных температурах и давлениях, например, в ядрах гигантских планет или во время термоядерного синтеза. Интенсивный электронный пучок может мгновенно нагреть образец до состояния WDM, а затем его же можно использовать для “просвечивания” и изучения свойств этого состояния.
Развитие Плазменных Ускорителей
Один из перспективных методов ускорения частиц — плазменное кильватерное ускорение. В этом методе мощный лазерный или электронный импульс создает волну в плазме, подобно катеру на воде. Другие частицы могут “оседлать” эту волну и ускориться до огромных энергий на очень коротком расстоянии. Высокоинтенсивные электронные пучки, созданные в SLAC, могут служить как драйверами таких волн, так и объектами для ускорения. Это потенциально путь к созданию более компактных и дешевых ускорителей для науки и медицины.
Проверка Фундаментальных Законов Физики
Экстремальная плотность энергии в сфокусированном электронном сгустке создает сверхсильные электромагнитные поля. Эти условия позволяют проверять предсказания квантовой электродинамики (КЭД) в режимах сильного поля — области, где наши текущие теории могут нуждаться в уточнении.
Что Дальше?
Команда SLAC не собирается останавливаться на достигнутом. Их следующая цель — дальнейшее совершенствование метода. Ученые планируют улучшить стабильность пучка и, возможно, еще больше увеличить пиковый ток. Кроме того, они будут использовать эту технологию для проведения первых экспериментов в упомянутых выше областях.
Этот прорыв демонстрирует огромный потенциал лазерных методов для управления электронными пучками. Он открывает новую эру в ускорительной физике и приближает нас к новым научным открытиям.