Наблюдать за быстрыми изменениями давления струи в микроскопических соплах чрезвычайно сложно. Но в Journal of Applied Physics от AIP Publishing группа исследователей сообщает о создании устройства, которое значительно упрощает процесс.Это устройство «представляет собой миниатюрный ускоритель электронов, сделанный из двух небольших пластин прозрачного сапфира, каждая из которых обрабатывается лазером по половине индивидуального рисунка, а затем зажата вместе», — сказал Николас Матлис, ведущий автор статьи, который сейчас является старшим научным сотрудником. в синхротроне Deutsche Elektronen в Гамбурге, Германия.
Он имеет длинный и тонкий капиллярный канал — лишь немного шире человеческого волоса. Он пересекается с сужающимся / расширяющимся соплом, которое действует как мини-ракетный двигатель, создавая сверхзвуковую струю газа миллиметрового размера.Это комбинированное устройство газовой струи и капиллярного разряда, разработанное в центре BELLA под руководством Вима Лиманса, директора отдела ускорительных технологий и прикладной физики и директора центра BELLA в лаборатории Беркли, было впервые использовано в 2011 году для производства контролируемых материалов. инжекция электронных сгустков из лазерного плазменного ускорителя — результат, опубликованный в Nature Physics Тони Гонсалвесом и его коллегами из лаборатории Беркли.Внутри устройства создается усовершенствованный ускоритель, который «ускоряет электроны с силой, в тысячи раз превышающей силу самого большого в мире линейного ускорителя», — пояснил Матлис. «Мы наполняем его газообразным водородом, ионизируем водород с помощью высоковольтного разряда и фокусируемся на нем с помощью лазерного импульса, который в сто триллионов раз ярче, чем поверхность Солнца».
Как вы понимаете, сложная часть — это контроль. «При такой интенсивности лазеры взаимодействуют нелинейно», — сказал он. «Небольшие изменения на входе вызывают большие изменения на выходе, что затрудняет повторение производительности каждый раз».Канал устройства, однако, обеспечивает длинную область с почти идеально однородным давлением и плотностью газа, в которой создается ускоряющая структура. «Когда возникает высоковольтный разряд, он превращает газ в плазму», — отметил Матлис. «И лазерный импульс создает волны в плазме, очень похожие на моторную лодку на озере. Эти плазменные волны создают огромные электрические поля и ускоряют электроны, которые извлекаются из плазмы, которые затем перемещаются по волнам, как мини-серферы».
Плазма также действует как проводник, удерживая лазер в фокусе, увеличивая длину ускорителя и позволяя ему достигать более высоких энергий. «Этот направляющий эффект защищает канал от лазера, который в противном случае разрушил бы его», — сказал он.Все становится еще интереснее, если добавить насадку. «Без этого электроны можно извлекать и ускорять, только работая в режиме с высокой плотностью газа, который производит более крупные и беспорядочные волны», — отметил Матлис. «Струя газа расширяется через сопло и вводит небольшую область с высокой плотностью, которая запускает процесс захвата электронов внутри ускорителя, что позволяет управлять каналом в режиме низкой плотности с более устойчивыми волнами».Жиклер стабилизирует работу ускорителя и действует как «ручка настройки» для управления им. Но обратная сторона заключалась в том, что «поскольку сопло находится под высоким давлением, его нужно включать только короткими импульсами — чтобы избежать затопления вакуумной камеры, в которой находится ускоритель», — добавил Матлис.
Пульсация заставляет газ, заполняющий форсунку, хлестать вокруг устройства, что обеспечивает неожиданную надежность системы. «Шлепанье» невидимо невооруженным глазом и происходит за миллисекунды, поэтому группа создала специальную диагностику для дальнейшего изучения.Плазма, опять же, дала решение. «Ионизированные атомы в плазме излучают свет с четко определенными частотами, характерными для каждого типа атомов — отпечатки пальцев», — сказал Матлис.Диагностика, изобретенная коллегой Энтони Гонсалвесом, «по сути представляет собой камеру, которая смотрит на сапфировый блок сбоку и использует излучаемый свет в качестве вспышки», — пояснил он. «Поворотом была установка дифракционной решетки, которая разделяет цвета, как призма, между камерой и устройством».
Одновременная съемка водорода (сопло) и гелия (канал) в момент вспышки показала присутствие каждого газа. «Регулируя время выброса по сравнению с импульсом сопла, мы собрали моментальные снимки в замедленный фильм, показывающий, как газы протекают через систему», — сказал Матлис.Однажды поздно вечером, работая с соплом выше критического давления, при котором гелий просачивался в канал, Матлис был удивлен, увидев, что гелий появляется только в половине канала. Затем он понял, что они поймали гелий, когда пересекали канал и выталкивали водород с его пути.
Это привело к другому большому открытию: «битву давлений» между гелием и водородом можно использовать для точного измерения давления струи, которое так важно для работы ускорителя.Работа группы особенно важна для продвинутых ускорителей, потому что у нее есть «потенциал предоставить целому поколению ученых преимущества высокоэнергетических ускорителей, сделав их более дешевыми и простыми в изготовлении, что значительно ускоряет темпы, с которыми важная наука может готово, — сказал Матлис.
«Наша программа в лаборатории Беркли исследует науку и технологию таких миниатюрных ускорителей», — добавил Лиман. «Чтобы научиться управлять, настраивать и делать их более надежными, требуется разработка новых диагностических средств, обеспечивающих« зрение »и« уши »устройства. У нас не было простого способа оптимизировать струю и капиллярный разряд до тех пор, пока Матлис не разработал методику Я не сомневаюсь, что с такими методами оптимизации мечта о компактных ускорителях станет реальностью ».