Världens banbrytande partikelacceleratorer driver extremerna i strålar med hög ljusstyrka och ultrakorta pulser för att utforska materia på nya sätt.

För att optimera deras prestanda – och för att förbereda sig för nästa generations anläggningar som kommer att driva dessa extremer ytterligare – har forskare tagit fram ett nytt verktyg som kan mäta hur ljusa dessa strålar är, även för pulser som bara varar femtosekunder (kvadrilliondelar av en sekund) eller attosekunder (kvintiljondelar av en sekund). Att jämföra 1 attoseund med 1 sekund är som att jämföra 1 sekund med 31,7 miljarder år.

Det här verktyget kan också mäta strålstorlekar inom några tiotals nanometer (miljarddelar av en meter) - utan att störa experiment som är beroende av dessa strålar.

Det nya verktyget, kallad "laddningstäthetsmonitor, " skulle också kunna ge mer exakta mått på fundamental fysik i högenergi- och högfältsstråleexperiment, och hjälpa till att vägleda FoU-insatser som försöker krympa storleken och kostnaderna för partikelkolliderar- och acceleratoranläggningar samtidigt som de ökar deras kapacitet.

Forskningen som använder denna föreslagna diagnostik kan också påverka discipliner som sträcker sig från plasmavetenskap till atomfysik, och kan leda till nya tillämpningar och avslöja ny fysik.

Vid det amerikanska energidepartementets Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, forskare hoppas kunna testa detta verktyg genom att mäta partikelegenskaper i efterdyningarna av en intensiv laserstråle som borrar genom en gasstråle. Genom att göra så, de hoppas kunna lära sig om elektronstrålepulsen som kommer från denna interaktion.

"BELLA tillhandahåller en idealisk testbädd för att utvärdera potentialen för strålmätningsmetoden vid en avancerad accelerator, eftersom vi strävar efter att producera de ljusast möjliga ultrakorta skurarna av elektroner med vår kompakta acceleratorteknik, sa Wim Leemans, chef för BELLA Center och Accelerator Technology &Applied Physics Division vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

"Det skulle ge ett kraftfullt verktyg för att mäta och förbättra BELLAs strålar."

Leemans ledde Berkeley Lab-teamet av bidragsgivare som en del av ett internationellt team i en teknisk studie som beskriver den nya metoden, publicerades i numret av tidskriften den 10 maj Fysisk granskning X .

Roxana Tarkeshian, en forskare vid universitetet i Bern och tidigare vid Paul Scherrer Institute, fungerat som huvudförfattare till studien och har följt den nya diagnostiska metoden sedan 2015, med stöd från Thomas Feurer, en professor vid universitetet i Bern och expert på laserbaserad teknik och rymdfysik.

"Dess ultrakänsliga mätningar med hög upplösning, och dess låga kostnad och kompakthet hör till dess tillgångar, " sa Tarkeshian.

Studien beskriver hur intensiva partikelstrålar kan tränga igenom en neutral gas med låg densitet, avlägsnar elektroner från gasatomer genom de starka elektriska fält som är förknippade med intensiva partikelstrålar. Ett joniserat (laddat) moln av materia, känt som ett plasma, som innehåller joner och elektroner, bildas i processen.

Teknikens "oöverträffade" upplösning för varaktigheten och storleken av individuella pulser för både elektronstrålar och positronstrålar relaterar till en effekt där små förändringar i strålens ljusstyrka på bara några procent till tiotals procent kan resultera i tio till hundratals gånger mer joner som genereras i närvaro av ett elektriskt fält, Tarkeshian noterade.

Processen liknar vad som händer när en mycket intensiv, fokuserad laserstråle eller röntgenpuls interagerar med en gas och joniserar atomerna. Men det finns viktiga skillnader i fysiken för denna joniseringsprocess för ljusstrålar (fotoner) jämfört med andra typer av partikelstrålar.

Med strålar av ljus, elektroner och joner (laddade partiklar) produceras i hela strålens fotavtryck, och de plasmaassocierade elektronerna har en relativt låg hastighet och tenderar att hänga runt jonpelaren tills de dras bort av ett externt elektriskt fält. Joner med positiv laddning driver sedan i motsatt riktning och kan mätas.

För elektron (negativt laddade) eller positron (positivt laddade) partikelstrålar, formen på det elektriska fältet liknar en munk och producerar en ringformad plasmakolonn, med inga joner från början kvar i strålbanan – munkens hål. Dessa partikelstrålar kan ge en kraftfull kick till elektroner, som kan lämna en ringformad kolonn av joner efter sig. Och dessa joner kan ledas bort av ett elektriskt fält till en detektor som mäter antalet joner, deras hastighet, och deras laddade tillstånd.

Den senaste studien visar att det nya mätverktyget också kan hämta mer information om själva strålen från denna "jonmunk" under rätt driftsförhållanden - med rätt densitet och blandning av gaser, till exempel.

Teamet genomförde sofistikerade simuleringar med en Berkeley Lab-förfinad datorkod känd som WARP och en annan kod känd som VSim. Forskare modellerade interaktionen mellan partikel- och fotonstrålar med gaser och den efterföljande plasmarelaterade dynamiken.

"Simuleringarna gjorde det möjligt för oss att zooma in rum och tid - från centimeterskalan ner till strålens submikronstorlek, och att följa dynamiken och fördelningarna av elektroner och joner vid olika tidsskalor, sade Jean-Luc Vay, en senior forskare vid Berkeley Lab som bidrog till WARP-koden och leder Accelerator Modeling Program i laboratoriets ATAP-avdelning.

Vay noterade att aspekter av koden visade sig vara nyckeln till korrekt modellering och förståelse av skillnader mellan effekterna av partikelstrålar kontra fotonstrålar, och att hitta det bästa sättet att ställa in och använda systemet.

När det fullständiga diagnostiksystemet har implementerats i acceleratorsystemen, simuleringar kommer att hjälpa till att verklighetskontrollera de faktiska mätningarna i experiment och hjälpa till att utveckla en väg för att optimera strålens prestanda.

"Små förändringar skulle kunna lösas mycket exakt, " Hon sa, baserat på mätningar av individuella strålpulser.

Den föreslagna tekniken öppnar också för möjligheten att studera laddningsinducerad dynamik i materia, och kan ge mer insikt i tidsskalor för grundläggande atomära eller molekylära processer som studeras med attosekundfotonpulser, Hon sa, inklusive en egenskap känd som quantum tunneling där en partikel kan tyckas spontant "tunnel" genom atomens potentiella barriär i trots av klassisk fysik.

Och Tarkeshian påpekar att den föreslagna diagnostiken kan visa sig användbar för existerande röntgenfrielektronlasrar (XFEL) som Linac Coherent Light Source (LCLS) X-ray FEL vid SLAC National Accelerator Laboratory, FLASH-anläggningen på DESY i Tyskland, SwissFEL vid Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz, bland andra, och anläggningar under uppbyggnad som LCLS-II vid SLAC.

Till exempel, en prototyp har installerats på LCLS med stöd och bidrag från SLAC-forskaren Patrick Krejcik och ett team på PSI för att diagnostisera ultrakorten, högenergielektronknippen som produceras av dess accelerator.

Tarkeshian noterade att andra verktyg har utvecklats för att ge mätningar av accelerator- och XFEL-stråleegenskaper, men när strålarnas pulser packar mer och mer intensitet och energi till kortare och kortare pulser, nya verktyg kommer att behövas för att hålla jämna steg med dessa extrema strålar.

Hon krediterade några decennier gammalt arbete med en föreslagen diagnostik för ett testacceleratorprojekt vid SLAC, känt som Final Focus Test Beam, eller FFTB, för att bana väg för detta nya designkoncept.

"I vårt senaste arbete, vi har studerat inte bara koncepten utan också tagit itu med de utmaningar som denna teknik kan möta experimentellt, " sa Tarkeshian.

"Det är fantastiskt att återuppliva detta ofullbordade koncept från decennier sedan med nya idéer, och med fortsatt stöd kan vi realisera dess potential, " tillade hon. "Det här är en mycket öppen väg, och vi har precis börjat."

Leemans sa, "Vi tror att det praktiska förverkligandet av denna innovativa teknik i slutändan kommer att vara av brett intresse för den internationella högenergifysiken och de allmänna acceleratordrivna vetenskapsgemenskaperna."