Trattando l'impulso laser come un proiettile, la forza ponderomotrice induce un'onda periodica nel plasma, simile a una cavità RF. Gli elettroni intrappolati in quest’onda possono raggiungere energie di GeV in un mero centimetro, mille volte più breve degli acceleratori convenzionali. Le durate temporali dei femtosecondi dei gruppi di elettroni della LWFA presentano opportunità senza precedenti per studi ultraveloci.

Negli ultimi vent'anni, la LWFA ha visto notevoli progressi nell'energia massima, nella distribuzione dell'energia, nella carica e nella frequenza di ripetizione.

Con il suo elevato gradiente di accelerazione e la capacità di produrre gruppi di elettroni ad alta luminosità, LWFA ha un immenso potenziale per applicazioni nella fisica delle alte energie, negli studi con sonda a pompa a raggi X e nella dosimetria risolta nel tempo. La densità tridimensionale (3D) è un parametro critico che influenza rispettivamente la luminosità in un collisore, la luminosità delle sorgenti di raggi X secondarie e i picchi di dose di radiazione.

In particolare, un laser a elettroni liberi a raggi X da tavolo (XFEL) è strettamente collegato al processo laser in un ondulatore. Tuttavia, fino ad ora, la misurazione sperimentale è rimasta sfuggente a causa della mancanza di metodi diagnostici. Sebbene le distribuzioni trasversali o longitudinali relative siano state studiate separatamente, il profilo di densità 3D assoluto deve ancora essere completamente caratterizzato.

In un nuovo articolo pubblicato su Light:Science &Applications , un team di scienziati, guidato dal Dr. Masaki Kando del Kansai Institute for Photon Science (KPSI), National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), Giappone, dal Prof. Tomonao Hosokai del SANKEN, Università di Osaka, Giappone, e co- i ricercatori hanno ottenuto una svolta nel monitoraggio a scatto singolo del profilo di densità 3D dei gruppi di elettroni LWFA.

Attraverso indagini sperimentali e numeriche sull'imaging della radiazione di transizione ottica (OTR), sulla decodifica spaziale elettro-ottica (EO) e sull'algoritmo genetico (GA), le strutture 3D dettagliate dei gruppi di elettroni ultraveloci provenienti da LWFA sono state ricostruite con successo, illuminando l'intricato fascio dinamica del fascio di elettroni.

I risultati rivelano una dimensione trasversale inferiore a 30 micrometri per il fascio di elettroni, mostrando la notevole risoluzione raggiunta dalla tecnica di imaging OTR. Inoltre, il profilo corrente mostrava una forma complessa a più picchi, con una struttura inferiore a 10 femtosecondi che vantava una corrente di picco superiore a 1 kiloampere (kA), a testimonianza delle eccezionali prestazioni dell'accelerazione del campo di scia del laser.

Di particolare significato è il picco osservato di densità numerica 3D di ∼ 9 × 10 ²¹ m ^-3 , offrendo informazioni preziose sul gruppo di elettroni accelerati. Questo rilevamento ha mostrato il potenziale per l'implementazione di un rilevatore in qualsiasi posizione lungo una linea di trasporto del fascio, aprendo così nuove strade per future applicazioni nella scienza degli acceleratori e oltre.

"La capacità di misurare il profilo di densità tridimensionale dei gruppi di elettroni migliorerà la nostra comprensione degli LWFA e sbloccherà il suo pieno potenziale per diverse applicazioni", ha affermato il dottor Kai Huang, ricercatore senior presso QST e autore principale dell'articolo.

"I risultati e le metodologie presentati in questo articolo hanno implicazioni di vasta portata in uno spettro di discipline, tra cui la fisica degli acceleratori, i laser ad alta potenza e l'ottica terahertz."

Ulteriori informazioni: Kai Huang et al, Istantanea 3D elettroottica di un fascio di elettroni di kiloampere accelerati dal campo di scia del laser, Luce:scienza e applicazioni (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01440-2

Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni

Fornito dall'Istituto di ottica, meccanica e fisica di Changchun