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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Гибкий алмаз вырабатывает электричество 15.09.2026

Алмаз традиционно воспринимается как исключительно твердый и практически неподвижный материал, поэтому возможность получать из него электричество при механической деформации долгое время казалась невероятной. В начале XX века алмаз относили к непьезоэлектрическим материалам, то есть считалось, что при сжатии или изгибе он, в отличие от кварца, не способен создавать электрический заряд. Однако исследователи из Университета Гонконга обнаружили, что при определенных условиях это представление требует пересмотра. Проблема заключалась прежде всего в физической природе самого минерала. Обычный алмаз настолько тверд, что заметно согнуть его практически невозможно. Поэтому специалисты использовали другой подход и изготовили из алмаза чрезвычайно тонкую гибкую мембрану. После механического воздействия на такую конструкцию измерительные приборы зарегистрировали устойчивые электрические сигналы. Эксперименты неоднократно повторяли и проводили в различных условиях, чтобы исключить случайное про ...>>

Найдена химическая причина возрастных изменений запаха кожи 14.09.2026

Запах человеческого тела меняется на протяжении всей жизни, и особенно заметные изменения могут происходить в пожилом возрасте. Речь идет не только о привычном запахе пота или особенностях гигиены: старение сопровождается целым комплексом биохимических процессов в коже, способных влиять на ее естественный запах. Ученые обнаружили одно из веществ, которое связывают с характерным ароматом, часто называемым "запахом старости". Исследователи установили, что важную роль в этом процессе играет 2-ноненаль - органическое соединение из группы ненасыщенных жирных альдегидов. Это вещество обладает характерным запахом, который нередко описывают как сочетание прогорклого масла и затхлого картона. Его количество в коже увеличивается по мере старения организма, поэтому концентрация 2-ноненаля рассматривается специалистами как одна из биохимических причин возрастного изменения запаха. По словам дерматологов, заметные изменения начинают становиться более вероятными после 40 лет. Доктор Сонал Чоуд ...>>

Случайная новость из Архива Диагностическая рубашка 11.05.2000 Такая рубашка изобретена американским инженером Марвином Сакнером. В ткань рубашки, напоминающей водолазку, вплетены шесть типов датчиков, таких же, какие следят за состоянием больных в палате реанимации, но сильно миниатюризованных. Рубашка регистрирует до 40 параметров жизнедеятельности одетого в нее человека. Измеряются как обычные медицинские показатели: давление крови, пульс, кардиограмма, температура, - так и применяющиеся реже, например разница в движениях левой и правой половин грудной клетки при дыхании (эта разница может указывать на накопление жидкости в легких). Использован опыт слежения за здоровьем космонавтов. Тонкий кабель, идущий от рубашки, подключается к карманному компьютеру, который накапливает собранные данные. Через клавиатуру компьютера пациент может ввести и субъективные данные о своих ощущениях, например о болях или головокружении. Время от времени носитель рубашки отправляет все собранные сведения через Интернет врачам, которые тем же путем дают ему советы. Диагностическая рубашка появится в американских магазинах уже осенью этого года. При массовом выпуске она будет стоить менее ста долларов, что раз в шесть-семь дешевле необходимого для этой системы карманного компьютера. Возникает только один вопрос: если человек настолько болен, что нуждается в постоянном слежении за 40 параметрами организма, то не лучше ли ему лежать в больнице?

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2026