Коллаборация ученых под руководством Мичиганского университета и Университета Квинс в Белфасте разработала новую диагностическую методику для измерения сверхкоротких пучков частиц в Центре лазерных исследований Совета по науке и технологическому оборудованию Великобритании (STFC). Данное исследование решает одну из ключевых проблем в создании компактных альтернатив традиционным ускорителям частиц, протяженность которых исчисляется километрами.
Современные рентгеновские лазеры на свободных электронах, которые генерируют лазерное рентгеновское излучение для визуализации объектов вирусного масштаба, требуют размещения в масштабных сооружениях. Такие установки занимают огромные пространства и потребляют значительные ресурсы, что делает их недоступными для многих научных учреждений.
Технология лазерного кильватерного ускорения в плазме предлагает возможность создания аналогичных возможностей в устройствах, достаточно компактных для размещения на лабораторном столе. Метод основан на фокусировке мощного сверхкороткого лазерного импульса в плазму, состояние материи с разделенными электронами и ионами. Лазерный импульс смещает электроны, создавая электрическое поле, которое заставляет электроны колебаться, формируя волны, способные ускорять частицы до высоких энергий на значительно более коротких дистанциях по сравнению с обычными ускорителями.
Основной сложностью до сих пор оставалось измерение параметров получаемых пучков частиц, поскольку их длительность составляет меньше времени, которое требуется свету, чтобы преодолеть ширину человеческого волоса. Стандартные методы измерений не справляются с такими временными масштабами. Решение, предложенное командой STFC, заключается в использовании лазерного света для незначительного отклонения частиц. Измеряя это отклонение и анализируя колебания лазерного поля, исследователи могут одновременно определить как положение, так и энергию отдельных электронов. Эта возможность двойного измерения является фундаментальным требованием для понимания и контроля подобных сверхкоротких пучков частиц.
Профессор Раджив Паттатил, руководитель направления новых ускорителей в Центральной лазерной лаборатории STFC, подчеркивает значимость работы:
«Лазерно-плазменные ускорители достигли уровня зрелости, достаточного для проектирования на их основе передовых источников излучения, таких как рентгеновские лазеры. Одним из необходимых условий для этого является понимание временных характеристик и энергии ускоренных сгустков электронов. Их одновременное измерение крайне важно. Используя лазерную систему Gemini в CLF, коллаборация разработала диагностическую методику, которая делает такое измерение возможным. Это важный шаг на пути к созданию будущих источников излучения на основе лазерных ускорителей».
Новая диагностическая методика представляет собой значительный шаг к тому, чтобы сделать рентгеновские источники более доступными для университетов и научно-исследовательских институтов, которые не могут разместить у себя крупные ускорительные комплексы. Подобные компактные устройства могут открыть новые возможности для исследований в области структурной биологии, материаловедения и медицинской визуализации. Это достижение способствует продолжающимся усилиям по расширению доступности исследований в области физики высоких энергий и передовых методов визуализации для научного сообщества.