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Condiciones óptimas para el funcionamiento más eficiente de los aceleradores de plasma láser

17.09.2017

Los aceleradores de electrones tradicionales se han convertido durante mucho tiempo en uno de los principales tipos de instrumentos científicos, los pulsos de radiación extremadamente intensos y cortos producidos por los sincrotrones y los láseres de electrones libres permiten a los científicos estudiar la materia y los procesos que ocurren a escala atómica. Pero incluso los aceleradores de electrones más pequeños ahora ocupan un área comparable al área de un campo de fútbol.

Una alternativa a las tecnologías tradicionales de aceleración de electrones es el método de aceleración láser-plasma, que con un tamaño reducido del acelerador permite obtener un haz de electrones acelerados de alta intensidad. Pero los aceleradores de este tipo tienen un inconveniente: con su ayuda, es muy difícil obtener un haz estable de electrones con un brillo estable. Y este problema fue resuelto por físicos del centro de investigación HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf), Alemania, quienes lograron determinar una serie de parámetros para crear condiciones operativas óptimas para un acelerador de electrones de plasma láser.

El principio que subyace a la tecnología de aceleración de plasma láser es bastante simple, un potente rayo láser se enfoca en un medio gaseoso, que bajo su influencia se convierte en plasma, en un estado ionizado de la materia. La energía del rayo láser hace que los electrones abandonen sus átomos "nativos", lo que crea una especie de "burbuja" de un fuerte campo eléctrico en el volumen del plasma. Esta región del campo eléctrico, que sigue el pulso de la luz láser, es una onda que viaja casi a la velocidad de la luz. Y los electrones atrapados en la cresta de esta onda también se aceleran casi a la velocidad de la luz. La exposición de estos electrones a un pulso adicional de luz láser produce pulsos de rayos X brillantes y ultracortos, con la ayuda de los cuales los científicos "ven a través" de las muestras estudiadas de varios materiales.

La fuerza de la radiación secundaria de rayos X depende directamente de la cantidad de electrones de alta energía involucrados en este proceso. Sin embargo, cuando se acelera un gran número de electrones, la onda de plasma decae debido a la influencia de los efectos asociados con estos electrones y su campo eléctrico, lo que, además, afecta negativamente a la forma del haz. La forma distorsionada del haz y la inestabilidad de la onda de plasma conducen al hecho de que el haz contiene electrones con diferentes niveles de energía y otros parámetros.

"Pero para poder usar un haz de electrones para experimentos de alta precisión, se requiere un haz estable que consista en electrones con los mismos parámetros", dice el físico Jurjen Pieter Couperus, "Todos los electrones en el haz deben estar en la posición correcta". lugar en el momento adecuado".

Los científicos de HZDR llevaron a cabo una serie de trabajos destinados a mejorar la calidad del haz de electrones producido por los aceleradores de plasma láser. Descubrieron que agregar una pequeña cantidad de nitrógeno al helio, que se usa para crear plasma, mejoró enormemente la situación. "Podemos controlar la cantidad de electrones que viajan en la onda de plasma cambiando la concentración de nitrógeno", explica Jurien Peter Kuperus, "En nuestros experimentos, descubrimos que el caso ideal es cuando la onda de plasma transporta electrones con una carga total de exactamente 300 picoculombios Incluso la desviación más pequeña de este valor en cualquier dirección conduce a la disipación de energía, lo que reduce la calidad del haz generado ".

Los cálculos realizados han demostrado que para generar uno de alta calidad, aún se requiere que la corriente máxima de movimiento de electrones en la cresta de la onda de plasma sea de al menos 50 kiloamperios.

“Usando los pulsos ultracortos del láser de petavatio de DRACO, podremos generar un haz de electrones de alta calidad con una corriente máxima de 150 kiloamperios”, dice Jurien Peter Kuperus, “Esto superará las capacidades de todos los aceleradores de electrones modernos a gran escala. hasta en dos órdenes de magnitud. Y esto nos permitirá crear fuentes de rayos X de próxima generación muy compactas".

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