I fisici del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti stanno escogitando nuovi modi per accelerare gli elettroni a energie record su brevi distanze record con una tecnica che utilizza impulsi laser e materia esotica nota come plasma. Ma misurare le proprietà dei fasci di elettroni ad alta energia prodotti negli esperimenti di accelerazione laser-plasma si è dimostrato impegnativo, poiché il laser ad alta intensità deve essere deviato senza interrompere il fascio di elettroni.

Ora, una nuova, Il sistema compatto è stato dimostrato con successo presso il Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center per fornire misurazioni simultanee ad alta risoluzione di proprietà multiple di fasci di elettroni.

Il nuovo sistema utilizza pellicole di cristalli liquidi ultrasottili, sviluppato dal Prof. Douglass Schumacher e dal suo team presso la Ohio State University, per reindirizzare il laser lasciando passare il fascio di elettroni, largamente inalterato. Il laser forma un plasma che riflette la maggior parte della sua luce laser.

Mentre ogni impulso laser distrugge la pellicola di cristalli liquidi, simile a una macchina per le bolle, la pellicola di cristalli liquidi viene reintegrata da un disco rotante e da un dispositivo tergicristallo dopo ogni colpo laser. I film formati da questo dispositivo hanno uno spessore di appena decine di nanometri (miliardesimi di metri), circa un fattore 1, 000 più sottili di quelli di altri sistemi di specchi al plasma ricaricabili che utilizzano cassette VHS, Per esempio. Questa riduzione di spessore serve a preservare le proprietà del fascio di elettroni.

La deviazione della luce laser lontano dal raggio di elettroni è essenziale per produrre una diagnosi precisa del raggio di elettroni, ha osservato Jeroen van Tilborg, uno scienziato del personale del Centro BELLA, ed è anche cruciale per esperimenti di accelerazione laser-plasma multistadio, in cui gli impulsi laser vengono rinfrescati in ogni fase per fornire un ulteriore "calcio" di accelerazione per il fascio di elettroni fino a raggiungere la sua accelerazione richiesta.

Lo specchio al plasma a cristalli liquidi (LCPM) consente anche l'uso di un Dispositivo di messa a fuoco robusto lungo 6 centimetri per il fascio di elettroni, nota come lente al plasma attiva.

Questa lente consente un'alternativa compatta a un grande strumento diagnostico chiamato dispositivo spettrometro magnetico, che ha magneti ingombranti che pesano più di una tonnellata e sono accoppiati a un grande alimentatore.

"Siamo stati in grado di sostituirlo con magneti a dipolo (due poli) delle dimensioni di un sandwich, "ha detto Sam Barber, un ricercatore presso il Centro BELLA nella divisione Tecnologia degli acceleratori e fisica applicata (ATAP) del Berkeley Lab. "Gli acceleratori laser al plasma possono produrre elettroni ad alta energia in spazi compatti, ma c'è ancora molto che si può fare per ridurre alcuni dei componenti, compresa la diagnostica del fascio di elettroni."

Ha aggiunto, "Si tratta di un'enorme riduzione della scala. Stiamo combinando un laser petawatt (ad alta potenza) con LCPM ultrasottili e lenti al plasma attivo, tutte nuove tecnologie che sono state sviluppate solo di recente. Le abbiamo combinate tutte e tre e abbiamo ottenuto un bel risultato. Stiamo facendo grandi passi avanti. C'è tutta una serie di nuove applicazioni per le quali questo potrebbe essere utilizzato."

Barber è stato l'autore principale di uno studio che descrive in dettaglio le prestazioni e l'impostazione del nuovo strumento diagnostico, pubblicato sulla rivista Lettere di fisica applicata . Allo studio hanno partecipato altri ricercatori del Centro BELLA, pure, insieme a ricercatori della UC Berkeley e dell'Ohio State University. Gli attuali progressi sono stati supportati da LaserNetUS, la rete recentemente costituita di strutture laser ad alta potenza finanziata dal DOE Office of Science, Ufficio delle scienze dell'energia da fusione, e Ufficio di Fisica delle Alte Energie.

Carl Schroeder, uno scienziato senior del Berkeley Lab che è vicedirettore del Centro BELLA, detto che oltre alla sua compattezza, la nuova tecnica diagnostica può raccogliere contemporaneamente diverse proprietà del fascio di elettroni, compresa la distribuzione dettagliata dell'energia del fascio di elettroni e l'emittanza del fascio, su base a colpo singolo. L'emittanza è una proprietà critica di un fascio di elettroni che determina quanto strettamente il fascio può essere focalizzato. Una bassa emittanza significa che il raggio può essere focalizzato su un punto molto piccolo, cruciale per la maggior parte delle applicazioni di accelerazione come i collisori e i laser a elettroni liberi.

"Tipicamente, queste sono diagnostiche multishot, " Egli ha detto, che calcolano la media delle misurazioni di diversi impulsi del fascio ma non misurano impulso per impulso, come fa la nuova tecnica.

Nella configurazione dimostrata, un laser è focalizzato in una cella a gas, dove crea e interagisce con un plasma, generazione e accelerazione di un fascio di elettroni. Dopo aver attraversato questa cella, il raggio laser combinato e il raggio di elettroni arrivano al LCPM, a quel punto il laser viene deviato mentre il raggio di elettroni viene trasmesso, con un'interruzione trascurabile.

Il fascio di elettroni passa quindi attraverso la lente al plasma attiva. La lente viene utilizzata per focalizzare il fascio di elettroni in una sequenza di piccoli magneti. Il campo magnetico disperde gli elettroni in base all'energia, proprio come la luce viene dispersa dal colore quando passa attraverso un prisma.

Il fascio di elettroni disperso passa quindi attraverso uno speciale cristallo che produce luce al passaggio dell'elettrone. Le immagini ad alta risoluzione della firma luminosa del cristallo consentono una precisa, mappatura a risoluzione sub-percentuale dell'energia del fascio di elettroni, e misure di emittanza simultanee.

Le misurazioni possono in definitiva aiutare i ricercatori a risolvere i problemi, sintonizzare, e migliorare le prestazioni degli esperimenti di accelerazione laser-plasma, e la configurazione potrebbe essere potenzialmente rilevante per future applicazioni di collisori e laser compatti a raggi X a elettroni liberi, i ricercatori hanno notato, che potrebbe avere una vasta gamma di applicazioni.

"Vuoi essere in grado di caratterizzare rapidamente questi fasci e utilizzarli come feedback per l'ottimizzazione, "Ha detto Barber. "Questo è utile per la caratterizzazione e il controllo delle proprietà del fascio di elettroni".