Оптимальные условия для максимально эффективной работы лазерных плазменных ускорителей

17.09.2017

Традиционные ускорители электронов давно уже стали одним из основных видов научных инструментов, чрезвычайно интенсивные и короткие импульсы излучения, вырабатываемые синхротронами и лазерами на свободных электронах, позволяют ученым изучать материю и процессы, происходящие на атомарном масштабе. Но даже самые маленькие ускорители электронов занимают сейчас площадь, сопоставимую с площадью футбольного поля.

Альтернативной традиционным технологиям ускорения электрона является лазерно-плазменный метод ускорения, которые при небольших размерах ускорителя позволяет получить луч разогнанных электронов высокой интенсивности. Но у ускорителей такого типа есть один недостаток - при их помощи очень тяжело получить устойчивый луч электронов со стабильной яркостью. И эта проблема была решена физиками из исследовательского центра HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf), Германия, которым удалось определить ряд параметров для создания оптимальных условий работы лазерно-плазменного ускорителя электронов.

Принцип, лежащий в основе технологии лазерно-плазменного ускорения, достаточно прост, луч мощного лазера фокусируется в среде газа, который под его воздействием превращается в плазму, в ионизированное состояние материи. Энергия лазерного луча заставляет электроны покинуть пределы их "родных" атомов, что создает в объеме плазмы своего рода "пузырь" сильного электрического поля. Эта область электрического поля, которая движется за импульсом лазерного света, представляет собой волну, движущуюся почти со скоростью света. И электроны, попавшие в ловушку на гребне этой волны, также разгоняются почти до скорости света. Воздействие на эти электроны дополнительным импульсом лазерного света производит яркие и сверхкороткие импульсы рентгена, при помощи которых ученые "просвечивают" исследуемые образцы различных материалов.

Сила вторичного рентгеновского излучения напрямую зависит от количества высокоэнергетических электронов, задействованных в этом процессе. Однако, при разгоне большого количества электронов плазменная волна затухает вследствие влияния эффектов, связанных с этими электронами и их электрическим полем, которое, к тому же, пагубно влияет и на форму луча. Искаженная форма луча и нестабильность плазменной волны, приводят к тому, что в луче присутствуют электроны с различным уровнем их энергии и другими параметрами.

"Но для того, чтобы можно было использовать электронный луч для проведения высокоточных экспериментов, требуется стабильный луч, состоящий из электронов с одинаковыми параметрами" - рассказывает ученый-физик Джурьен Питер Куперус (Jurjen Pieter Couperus), - "Все электроны луча должны находиться в правильном месте в правильное время".

Ученые из HZDR провели ряд работ, направленных на улучшение качества электронного луча, вырабатываемого лазерно-плазменными ускорителями. Они нашли, что добавка небольшого количества азота к гелию, который используется для создания плазмы, значительно улучшает ситуацию. "Мы можем управлять количеством электронов, "катающихся" на плазменной волне, меняя концентрацию азота" - объясняет Джурьен Питер Куперус, - "В своих экспериментах мы выяснили, что идеальным вариантом является случай, когда плазменная волна несет электроны, суммарный заряд которых равен ровно 300 пикокулонам. Даже самое малое отклонение от этой величины в любую сторону приводит к рассеиванию энергии, что снижает качество вырабатываемого луча".

Проведенные вычисления показали, что для генерации высококачественного еще требуется, чтобы пиковый ток движения электронов на гребне плазменной волны был не менее 50 килоампер.

"Используя сверхкороткие импульсы петаваттного лазера DRACO, мы сможем обеспечить генерацию высококачественного электронного луча при пиковом токе в 150 килоампер" - рассказывает Джурьен Питер Куперус, - "Это превысит возможности всех современных крупномасштабных ускорителей электронов на целых два порядка. И это позволит нам создать весьма компактные источники рентгеновского излучения следующего поколения".

<< Назад: Дебют робота-дирижера 18.09.2017

>> Вперед: Обнаружены нейроны жажды 17.09.2017

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Лабораторная модель прогнозирования землетрясений 30.11.2025

Предсказание землетрясений остается одной из самых сложных задач геофизики. Несмотря на развитие сейсмологии, ученые все еще не могут точно определить момент начала разрушительного движения разломов. Недавние эксперименты американских исследователей открывают новые горизонты: впервые удалось наблюдать микроскопические изменения в контактной зоне разломов, которые предшествуют землетрясению. Группа под руководством Сильвена Барбота обнаружила, что "реальная площадь контакта" - участки, где поверхности разлома действительно соприкасаются - изменяется за миллисекунды до высвобождения накопленной энергии. "Мы открыли окно в сердце механики землетрясений", - отмечает Барбот. Эти изменения позволяют фиксировать этапы зарождения сейсмического события еще до появления традиционных сейсмических волн. Для наблюдений ученые использовали прозрачные акриловые материалы, через которые можно было отслеживать световые изменения в зоне контакта. В ходе искусственного моделирования примерно 30% ко ...>>

Музыка как естественный анальгетик 30.11.2025

Ученые все активнее исследуют немедикаментозные способы облегчения боли. Одним из перспективных направлений становится использование музыки, которая способна воздействовать на эмоциональное состояние и когнитивное восприятие боли. Новое исследование международной группы специалистов демонстрирует, что даже кратковременное прослушивание любимых композиций может значительно снижать болевые ощущения у пациентов с острой болью в спине. В эксперименте участвовали пациенты, обратившиеся за помощью в отделение неотложной помощи с выраженной болью в спине. Им предлагалось на протяжении десяти минут слушать свои любимые музыкальные треки. Уже после этой короткой сессии врачи фиксировали заметное уменьшение интенсивности боли как в состоянии покоя, так и при движениях. Авторы исследования подчеркивают, что музыка не устраняет саму причину боли. Тем не менее, она воздействует на эмоциональный фон пациента, снижает уровень тревожности и отвлекает внимание, что в сумме приводит к субъективном ...>>

Алкоголь может привести к слобоумию 29.11.2025

Проблема влияния алкоголя на стареющий мозг давно вызывает интерес как у врачей, так и у исследователей когнитивного старения. В последние годы стало очевидно, что границы "безопасного" употребления спиртного размываются, и новое крупное исследование, проведенное международной группой ученых, вновь указывает на это. Работы Оксфордского университета, выполненные совместно с исследователями из Йельского и Кембриджского университетов, показывают: даже небольшие дозы алкоголя способны ускорять когнитивный спад. Команда проанализировала данные более чем 500 тысяч участников из британского биобанка и американской Программы миллионов ветеранов. Дополнительно был выполнен метаанализ сорока пяти исследований, в общей сложности включавших сведения о 2,4 миллиона человек. Такой масштаб позволил оценить не только прямую связь между употреблением спиртного и развитием деменции, но и влияние генетической предрасположенности. Один из наиболее тревожных результатов касается людей с повышенным ге ...>>

Искусственный мозговой матрикс 29.11.2025

Биоинженерия стремительно выходит за пределы традиционной работы с клетками и биоматериалами. Ученые пытаются не просто выращивать ткани, но и воссоздавать механизмы, управляющие жизнью клеток в реальном организме. Одним из наиболее амбициозных направлений стала разработка искусственных матриксов, которые могли бы подменить природную среду и дать исследователям возможность изучать работу мозга без участия биологических компонентов. На этом фоне работа специалистов Калифорнийского университета в Риверсайде представляет собой особенно заметный шаг вперед. В центре их исследования - платформа BIPORES, созданная полностью из синтетических веществ. Цель проекта заключалась в попытке смоделировать сложную, многослойную структуру внеклеточного матрикса, который в настоящем мозге обеспечивает питание, связь и организацию нервных клеток. При этом разработчики сознательно отказались от каких-либо белков, традиционно необходимых для прикрепления клеток, таких как ламинин или фибрин. Это решени ...>>

Ранняя Вселенная не была ледяной 28.11.2025

Понимание того, как формировались первые структуры во Вселенной, требует взгляда в эпохи, в которых не существовало ни звезд, ни галактик, ни привычных нам источников света. Научные группы по всему миру пытаются восстановить картину тех времен при помощи слабейших радиосигналов, оставшихся от водорода, который наполнял космос вскоре после Большого взрыва. Новые результаты, полученные на радиотелескопе Murchison Widefield Array в Австралии, неожиданным образом меняют представление об этих ранних этапах. Сразу после Большого взрыва, произошедшего около 13,8 миллиарда лет назад, пространство стремительно расширялось и остывало. Через несколько сотен тысяч лет образовался нейтральный водород, и началась так называемая эпоха тьмы, когда Вселенная была лишена источников излучения. Лишь значительно позже гравитация собрала газ в плотные области, где зародились первые звезды и ранние черные дыры, а их интенсивное излучение привело к реионизации водорода и окончательному появлению света. ...>>

Случайная новость из Архива Беспокойство передается через глаза 06.06.2016 Психологи из Упсальского университета и Вашингтонского университета в Сент-Луисе выяснили, что передача беспокойства может происходить через глаза. Эксперименты ставили с младенцами 6 и 9 месяцев от роду - им показывали черный кружок разного диаметра на белом фоне. Кружок имитировал зрачок, широкий или узкий, и вот, как оказалось, если ребенку показывали широкий "зрачок", то и его зрачки расширялись в ответ. Для сравнения использовали черный квадратик, но на него детские зрачки не реагировали. Известно, что зрачки реагируют на эмоциональное состояние: страх, беспокойство, вообще любое эмоциональное возбуждение заставляет их расширяться. Конечно, кружок на белом фоне - все-таки не настоящий зрачок, однако исследователям было важно иметь возможность точно контролировать диаметр зрачка, поэтому и выбрали вот такой суррогат. И, конечно, с уверенностью говорить именно о беспокойстве тут вряд ли тоже стоит: с одной стороны, как мы сказали, зрачки расширяются на любое эмоциональное возбуждение, с другой - исследователей интересовала ответная реакция сама по себе, то есть смогут ли зрачки детей скопировать чужие (пусть и ненастоящие). Однако стресс действительно может быть заразен. Сары Уотерс (Sara Waters) и ее коллеги из Нью-Йоркского университета и Калифорнийского университета в Сан-Франциско ставили следующий опыт: женщин, у которых были дети 12 и 14 месяцев, подвергали стрессу - разумеется, с их согласия. Стрессовую ситуацию организовывали как обычно: просили сделать сообщение перед аудиторией, которая затем должна была оценить докладчицу, и оценки могли быть или отрицательными, или нейтральными, или положительными. Затем спустя какое-то время мамы возвращались к детям - и, как оказалось, ввергали их в беспокойство: у детей повышался сердечный ритм, проявлялись и другие физиологические показатели стресса, и они начинали избегать незнакомцев. А вот те младенцы, чьи матери не проходили через стрессовое испытание, незнакомых людей воспринимали более спокойно и никаким стрессом не заражались.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2025