Однако после этих нескольких сантиметров лазерный импульс ослабевает и прирост энергии замедляется. LPA должны будут выйти за пределы стола, если они хотят конкурировать с предлагаемыми традиционными коллайдерами, такими как линейные электрон-позитронные коллайдеры длиной 30 километров или кольцевые протонные коллайдеры длиной 100 километров по окружности с энергией электрон-вольт в триллионы (ТэВ). не миллиарды. Такие высокие энергии могут быть достигнуты только путем последовательного соединения сотни LPA, каждый из которых получает питание от лазера класса BELLA, и ускорения пучка правильной формы от одной ступени к другой.«Задолго до того, как началось планирование BELLA, мы нацелились на постановку как способ достижения энергии, необходимой для компактных коллайдеров частиц, лазеров на свободных электронах и других инструментов науки будущего», — говорит Вим Лиманс, директор ускорителя лаборатории Беркли.
Отдел технологий и прикладной физики (ATAP) и директор центра BELLA. Но из-за огромных технических проблем, включая поддержание размеров электронных пучков в миллионных долях метра и лазерных импульсов, измеряемых в квадриллионных долях секунды (фемтосекундах), Лиманс говорит: «Многие люди говорили нам, что мы никогда не сможем это сделать. Это."В эксперименте, полным научных достижений, Лиманс и его коллеги из центра BELLA теперь продемонстрировали, что лазерный импульс может ускорить электронный луч и передать его на второй лазерный плазменный ускоритель, где другой лазерный импульс ускоряет луч до более высокой энергии — фундаментальный принцип. прорыв в передовой науке о ускорителях.
Результаты сообщаются в выпуске журнала Nature от 1 февраля.Стабильные балки, одноразовые зеркалаСвен Стейнке, ведущий автор статьи в Nature, говорит, что для создания постановки не нужно было огромного увеличения энергии; проблема заключалась в передаче полезного луча. «Миллиард электрон-вольт не имеет значения», — говорит он. «Важна была стабильность», эксперимент, который мог надежно работать в течение нескольких дней и много тысяч лазерных выстрелов. «Вы не хотите тратить три четверти своего дня на настройку инжектора луча, не оставив времени на эксперимент».
Решением было использовать два разных типа LPA. Более продвинутый, но более привередливый тип — это разрядный капилляр, блок сапфира с тонкой горизонтальной трубкой, проходящей через него. Газообразный водород заполняет трубку; мощный электрический разряд ионизирует его, отделяя электроны от их ядер и образуя плазму.
Эта разрядная дуга почти мгновенно нагревает плазму и образует лазерный волновод, цилиндрический канал более тонкой плазмы в центре; входящий лазерный импульс движется сквозь него, как катер по воде, улавливая свободные электроны за собой и швыряя их вперед, как серфер на следующей волне.
Другой вид LPA — это струя сверхзвукового газа диаметром несколько сотен микрометров. Лазерный импульс просверливает газ, одновременно ионизируя его, образуя плазму и оставляя след для ускорения свободных электронов.Газовая струя, концептуально простая, но все же способная излучать пучок с энергией более ста миллионов электрон-вольт, была выбрана командой для этапа 1, инжектора пучка.
Более мощный нагнетательный капилляр, аналогичный тому, что используется в BELLA, будет Stage 2.Важнейшей задачей было введение второго лазерного импульса с помощью зеркала в пределах нескольких миллиметров между двумя ступенями. Электронный луч должен пройти через отверстие в зеркале.
Отраженный лазерный импульс приближался бы. К сожалению, чтобы сфокусировать мощность, достаточную для ускорения электронного луча, лазерный фокус должен быть так близко к зеркалу, что он разнесет его на куски.«С самого начала мы решили, что вместо того, чтобы беспокоиться о взрыве зеркала, мы взорвем его с каждым кадром», — говорит Лиманс. По его словам, они сначала разработали прототип зеркала с водяной пленкой, «но остановились на гораздо более прочной кассете VHS».
Видеокассетные плееры, возможно, вышли из моды, но кассеты VHS тонкие, устойчивые к растяжению и могут работать часами. Электронный луч практически не затрагивает ленту. С другой стороны, всего за долю секунды до того, как лазерный импульс может проникнуть через ленту, он ионизирует поверхность, образуя плотную, идеально плоскую плазму: высокоэффективное зеркало.
Стейнке, чья диссертация касалась плазменных зеркал и который до прихода в Центр БЕЛЛА был постдоком в Институте Макса Борна в Берлине, охарактеризовал систему зеркал для постановочного эксперимента. Предыдущие плазменные зеркала основывались на дорогостоящей твердотельной оптике совершенно иного назначения. Стейнке и Лиманс соглашаются: «Это было первое использование непрерывного одноразового плазменного зеркала с высокой частотой повторения».
По счастливой случайности плазменная линзаПромежуточная система была готова к первому испытанию.
В газоструйном LPA первый лазерный импульс создавал электронный луч, проходящий через ленту, а плазменное зеркало отражало второй лазерный импульс. Электронный луч и лазерный импульс вошли в капилляр ступени 2.Луч не вышел.«Мы были ошеломлены», — говорит Йерун ван Тилборг, давний член Центра BELLA и его предшественницы, программы LOASIS, где он получил докторскую степень в Техническом университете Эйндховена. «Внезапно нас стало четверо или пятеро, которые писали что-то на обратной стороне конвертов».
Ученые ATAP использовали разрядные капилляры для инжекции и ускорения электронов более 10 лет, но это был первый случай, когда кто-то выстрелил в один из внешних электронных лучей. Они никогда не сталкивались со всеми эффектами мощного разрядного тока: он ионизирует газ и формирует оптический волновод через плазму, но также создает сильное магнитное поле, которое может разорвать уже существующий электронный пучок.Или, что более оптимистично, может сформировать и сфокусировать его. Ван Тилборг отказался от изучения проблемы и вскоре понял, что из импульсного магнитного поля можно сделать отличную плазменную линзу.
Такая быстродействующая линза может найти множество применений, например, для кондиционирования лучей существующих лазеров на свободных электронах. Его немедленное применение заключалось в том, чтобы точно сфокусировать пучок инжектора постановочного эксперимента.
Окончательная конфигурация — газоструйный инжектор, плазменная линза, плазменное зеркало, вторая ступень разрядного капилляра и диагностика — показала выигрыш в энергии для значительной части электронного пучка около ста миллионов электрон-вольт.Успех эксперимента стал результатом открытий на рабочем месте, а также постоянной обратной связи между экспериментальными наблюдениями и компьютерным моделированием. Высокоэффективный код INFRNO для моделирования взаимодействий лазера и плазмы, запущенный на суперкомпьютере Cray в Национальном вычислительном центре энергетических исследований Министерства энергетики США (NERSC) в лаборатории Беркли, может превратить дневные экспериментальные данные в симуляцию почти в одночасье, как "ежедневные газеты" в кино установленный. Среди многих других вопросов можно было бы исследовать хитросплетения лазерного хронометража; фокусировку энергичного, но рваного луча из газовой струи можно было смоделировать, даже когда случайное открытие того, как это сделать на самом деле, становилось реальностью.
«Благодаря сопоставлению с экспериментальными наблюдениями моделирование может видеть все», — говорит Карло Бенедетти из группы моделирования Центра BELLA, который руководил разработкой INFRNO. «Мы можем видеть, как ведет себя лазерный луч, и понимать, какие электроны ускоряются».Первое успешное соединение двух независимых лазерно-плазменных ускорителей подтвердило этот принцип.
Далее идет настоящая вещь.«Мы готовы к постановке BELLA», — говорит Лиманс, используя две зарядно-капиллярные LPA. «Мы разделим лазерный луч BELLA», способный производить квадриллион ватт (петаватт) на 40-фемтосекундный импульс каждую секунду. «Первая ступень должна довести пучок до примерно 5 ГэВ. Мы сделаем перенос сгустка с помощью нашей капиллярной линзы и поиграем с синхронизацией второго импульса.
Мы должны выйти из второй ступени с 10 ГэВ. И пока в постановочном эксперименте мы улавливаем только три или четыре процента доступных электронов, в BELLA мы сможем уловить 100 процентов заряда ».Даже лучше, говорит Стейнке, «BELLA намного проще. Влияние ленты на качество луча должно быть намного меньше, а луч намного« жестче », с ним легче обращаться».
Ван Тилборг соглашается: «При 5 ГэВ на ступень проблем может не быть. Более высокая энергия спасает вас».«Многие группы по всему миру работают над различными аспектами разработки LPA, и я уверен, что мы увидим первые приложения LPA в ближайшее десятилетие», — комментирует Джеймс Саймонс, заместитель директора лаборатории физических наук в Berkeley Lab. «Как и в случае со всеми новыми технологиями, природа этих приложений может нас удивить».
Проблемы остаются, но наступила эра ускорителей, которые не только компактны, но и могут достигать необычайной энергии.
