تحولی بزرگ در علم/ شتاب‌دهنده‌های لیزر پلاسما آینده‌ای نوین برای تحقیقات علمی

به گزارش خبرنگار گروه علم و فناوری خبرگزاری برنا؛ شتاب‌دهنده‌های لیزر-پلاسما می‌توانند با فراهم آوردن شتاب ذرات به‌صورت فشرده و کارآمد، تحقیقات علمی را متحول کنند. این شتاب‌دهنده‌ها به‌عنوان ابزار‌های تحقیقاتی بسیار امیدوارکننده‌ای شناخته می‌شوند: شتاب‌دهنده‌های لیزر-پلاسما فضای کمتری نسبت به تأسیسات معمولی که گاهی چندین کیلومتر طول دارند، اشغال می‌کنند.

این منابع ذرات فشرده قادر به شتاب دادن به بسته‌های الکترونی به‌صورت کارآمد هستند و به لیزر‌های اشعه ایکس که در زیرزمین یک مؤسسه دانشگاهی جای می‌گیرند، امکان می‌دهند. اما چند چالش نیز وجود دارد: برای تولید نور فرابنفش یا اشعه ایکس، بسته‌های الکترونی تولیدشده توسط شتاب‌دهنده لیزر-پلاسما باید بسیار دقیق و با خواص مشخصی باندل شوند. تاکنون اندازه‌گیری دقیق این بسته‌ها نیز دشوار بوده است.

اکنون، تیمی در مرکز هلمهولتز درسدن-روسندورف (HZDR) یک روش اندازه‌گیری جدید توسعه داده است که می‌تواند به پیشبرد توسعه شتاب‌دهی لیزر-پلاسما کمک کند.

شتاب‌دهی لیزر-پلاسما

در شتاب‌دهی لیزر-پلاسما، یک لیزر پالس‌های نوری شدید را به داخل یک گاز شلیک می‌کند. پالس به حدی قوی است که گاز را یونیزه کرده و یک پلاسما – مخلوطی از الکترون‌ها و یون‌ها – ایجاد می‌کند. همان‌طور که پالس لیزر الکترون‌های سبک‌تر را سریع‌تر از یون‌های سنگین‌تر جابجا می‌کند، یک "حباب" الکتریکی مثبت پشت سر آن شکل می‌گیرد. اگر تعدادی الکترون به داخل این حباب تزریق شوند، میدان الکترومغناطیسی به‌دست‌آمده می‌تواند به‌صورت مجازی آنها را به جلو پرتاب کند.

این فرایند تنها به چند سانتی‌متر نیاز دارد، اما می‌تواند الکترون‌ها را به‌اندازه یک سیستم متعارف که چندین ده یا حتی صد‌ها متر طول دارد و از امواج رادیویی برای حرکت دادن ذرات استفاده می‌کند، شتاب دهد.

پیشرفت‌ها در لیزر‌های الکترون آزاد

لیزر الکترون آزاد (FEL) یک کاربرد جذاب برای شتاب‌دهنده‌های لیزر-پلاسما مدرن است. در اینجا، بسته‌های الکترونی با سرعت نزدیک به نور از میان یک "موج‌ساز" عبور می‌کنند. این آرایه از آهنربا‌ها ذرات را به مسیر‌های مارپیچی مجبور می‌کند و باعث می‌شود که آنها فلش‌های قوی اشعه ایکس یا فرابنفش، شبیه به لیزر، منتشر کنند که می‌تواند برای ردیابی فرآیند‌های بسیار سریع مانند واکنش‌های شیمیایی که در یک کوادریلیونیم ثانیه اتفاق می‌افتند، استفاده شود.

پیشرفت‌ها و چالش‌ها در فناوری شتاب‌دهی پلاسما

امروزه چندین ماشین تحقیقاتی از این نوع وجود دارد، از جمله XFEL اروپایی در هامبورگ. این دستگاه‌ها بر اساس شتاب‌دهنده‌های خطی معمولی ساخته شده‌اند که برخی از آنها چندین کیلومتر طول دارند. اما تا کنون، این تأسیسات نادر بوده و در نتیجه زمان پرتو قابل دسترسی محدود است. اگر FEL‌ها بر اساس شتاب‌دهنده‌های لیزر-پلاسما ساخته شوند، این تأسیسات می‌توانند به‌طور فشرده و مقرون‌به‌صرفه‌ای ساخته شوند که یک مؤسسه دانشگاهی، به‌عنوان‌مثال، قادر به تأمین هزینه‌های آن باشد. در نتیجه، این فناوری در دسترس تیم‌های تحقیقاتی بیشتری قرار خواهد گرفت.

موفقیت‌های اولیه قبلاً به‌دست‌آمده است: از سال ۲۰۲۱، سه گروه تحقیقاتی توانسته‌اند نشان دهند که یک FEL مبتنی بر شتاب‌دهنده‌های پلاسما می‌تواند اجرا شود – تیمی در شانگهای چین، گروهی در فراسکاتی نزدیک رم، و تیمی که با فیزیکدان دکتر آری ایرمن در مؤسسه فیزیک اشعه HZDR کار می‌کند.

در مقاله‌ای مروری در ژورنال Nature Photonics، افرادی که در این پروژه‌ها شرکت داشتند، وضعیت فعلی توسعه را خلاصه کرده و سؤالات تحقیقاتی برجسته را فهرست می‌کنند.

ایرمن، یکی از نویسندگان مقاله گفت: از جمله، ما باید کیفیت و پایداری بسته‌های الکترونی شتاب‌یافته را بهبود بخشیم و توزیع انرژی الکترون‌ها را در داخل بسته‌ها به حداقل برسانیم. اما همچنین مهم است که روش‌های تشخیصی جدیدی توسعه دهیم تا بتوانیم فرآیند‌های موجود در یک شتاب‌دهنده لیزر-پلاسما را با دقت بیشتری بررسی کنیم.

نوآوری‌ها در اندازه‌گیری بسته‌های الکترونی

در اینجا پروژه جدید HZDR وارد می‌شود: مکسول لا برگ، یک پست‌دکتر در تیم ایرمن، یک روش اندازه‌گیری ابداع کرده است که به دانشمندان امکان می‌دهد بسته‌های الکترونی بسیار کوتاه با اندازه‌ای در حدود چند میکرومتر را به‌دقت تحلیل کنند.

لا برگ اصول این روش را اینگونه توضیح داد: ما بسته‌های الکترونی را تقریباً با سرعت نور از شتاب‌دهنده پلاسما به یک ورقه فلزی نازک شلیک می‌کنیم. این کار باعث می‌شود که الکترون‌های روی سطح ورقه به حرکت درآیند. در نتیجه، این الکترون‌ها سیگنالی مانند یک آنتن فرستنده ارسال می‌کنند که توسط حسگر‌ها قابل شناسایی است.

د. لا برگ فرایندی را که اصطلاح فنی آن تابش گذار نوری همدوس (COTR) است، توصیف می‌کند. با استفاده از این سیگنال، می‌توانیم به‌طور دقیق بازسازی کنیم که بسته‌های الکترونی که از ورقه عبور کرده‌اند، چگونه به نظر می‌رسند.

کارشناسان HZDR از روش اندازه‌گیری جدید خود برای بررسی روش‌های مختلف تزریق الکترون‌ها به حباب پلاسما استفاده کرده‌اند.

آری ایرمن گفت: ما توانسته‌ایم تشخیص دهیم که روش‌های مختلف تزریق، بسته‌های الکترونی با شکل‌های بسیار متفاوت تولید می‌کنند، که نشان می‌دهد روش جدید می‌تواند به کنترل دقیق‌تر شکل و ساختار بسته‌های الکترونی کمک کند و هرچه کنترل بر روی بسته‌های الکترونی پرسرعت بهتر باشد، نوری که در یک FEL تولید می‌کنند، درخشان‌تر و پایدارتر خواهد بود.

انتهای پیام/