Международное сотрудничество разработало новую диагностическую методику для измерения ультракоротких пучков частиц в Central Laser Facility (CLF) Центра научных исследований и разработок Великобритании (STFC). Инициатива ведётся под руководством Мичиганского университета и Королевского университета в Белфасте.
Проблема и решение
Современные рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFEL), которые производят лазерные рентгеновские лучи для визуализации на вирусном уровне, требуют огромных комплексов, протяжённых на километры. Эти установки требуют значительных ресурсов и пространства, которые не всегда доступны многим учреждениям.
Технология ускорения на основе лазерного поля позволяет создавать аналогичные возможности в устройствах, достаточно компактных, чтобы поместиться на лабораторном столе. Этот подход заключается в фокусировке интенсивного, ультракороткого лазерного импульса в плазме — веществе, где электроны и ионы разделены.
Принцип работы
Лазер вытесняет электроны из ионов, создавая электрическое поле, которое заставляет электроны колебаться в волновых узорах позади лазерного импульса, подобно сёрферу, которого толкают волны. Эти волны могут ускорять частицы до высоких энергий на более коротких расстояниях, чем обычные ускорители.
Измерение полученных пучков частиц оказалось сложной задачей из-за их короткой продолжительности — менее времени, необходимого свету, чтобы пересечь ширину человеческого волоса. Обычные методы измерения неадекватны для таких временных масштабов. Решение команды STFC заключается в использовании лазерного света для отклонения частиц на небольшие углы.
Преимущества новой методики
Измеряя эти отклонения и анализируя колебания лазерного поля, исследователи могут одновременно определять положение и энергию отдельных электронов. Это важно для понимания и контроля ультракоротких пучков частиц.
Профессор Раджив Паттатил, руководитель отдела новых ускорителей в Central Laser Facility STFC, объясняет значимость: «Ускорители плазмы, управляемые лазером, достигли уровня, когда передовые источники света, такие как XFEL, проектируются на основе этой технологии. Одним из обязательных условий для этого является понимание временных характеристик и энергии ускоренных электронных сгустков. Важность одновременного измерения этого очевидна».
Используя лазерную систему Gemini CLF, сотрудничество разработало диагностическую методику, которая позволяет проводить такие измерения. Это важный шаг на пути к будущим источникам света, основанным на ускорителях, управляемых лазером.
Диагностический метод представляет собой значительный шаг к тому, чтобы сделать рентгеновские источники более доступными для университетов и исследовательских учреждений, которые не могут разместить у себя крупномасштабные ускорительные установки. Такие компактные устройства могут открыть новые возможности для исследований в области структурной биологии, материаловедения и медицинской визуализации.
Исследование демонстрирует приверженность STFC разработке передовых научных приборов и поддержке позиции Великобритании в области ускорителей и технологий.
electric field that causes electrons to oscillate in wave patterns behind the laser pulse, much like a surfer being pushed by waves. These waves can accelerate particles to high energies over shorter distances than conventional accelerators.”,”Measuring the resulting particle beams has proven challenging due to their brief duration, lasting less time than it takes light to cross the width of a human hair. Conventional measurement techniques are inadequate for these timescales. The STFC team’s solution involves using laser light to deflect particles by small amounts.”,”By measuring these deflections and analyzing the laser field oscillations, researchers can determine both the position and energy of individual electrons simultaneously. This dual measurement capability addresses a fundamental requirement for understanding and controlling these ultra-short particle beams.”,”Professor Rajeev Pattathil, Head of Novel Accelerators at STFC Central Laser Facility, explains the significance: \”Laser-driven plasma accelerators are maturing to a level where advanced light sources such as XFELs are being designed based on this technology. One of the prerequisites for this is to understand the temporal characteristics and energy of the accelerated electron bunches. Simultaneous measurement of this is important.”,”\”By using the CLF’s Gemini laser system, the collaboration has come up with a diagnostic technique that enables this measurement. This is a major step towards future light sources based on laser-driven accelerators.\””,”The diagnostic method represents a significant step toward making X-ray sources more accessible to universities and research institutions that cannot accommodate large-scale accelerator facilities. Such compact devices could enable new research in structural biology, materials science, and medical imaging.”,”The research demonstrates STFC’s continued commitment to developing advanced scientific instrumentation and supporting the U.K.’s position in accelerator science and technology. By enabling more institutions to access X-ray capabilities, this development could reduce the infrastructure barriers that currently limit research opportunities in these fields. This advancement contributes to ongoing efforts to make high-energy physics research and advanced imaging applications more widely available to the scientific community.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUK Research and Innovation\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from High Energy, Nuclear, Particle Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник