Hur utforskar forskare naturen på dess mest grundläggande nivå? De bygger "supermikroskop" som kan lösa atom- och subatomära detaljer. Detta fungerar inte med synligt ljus, men de kan undersöka materiens minsta dimensioner med elektronstrålar, antingen genom att använda dem direkt i partikelkolliderare eller genom att omvandla deras energi till ljusa röntgenstrålar i röntgenlasrar. Kärnan i sådana vetenskapliga upptäcktsmaskiner är partikelacceleratorer som först genererar elektroner vid en källa och sedan ökar sin energi i en serie acceleratorhålor.

Nu, ett internationellt team av forskare, inklusive forskare från Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, har visat en potentiellt mycket ljusare elektronkälla baserad på plasma som kan användas i mer kompakt, kraftfullare partikelacceleratorer.

Metoden, där elektronerna för strålen frigörs från neutrala atomer inuti plasma, kallas den trojanska hästtekniken eftersom den påminner om hur de gamla grekerna sägs ha invaderat staden Troja genom att gömma sina kraftfulla soldater (elektroner) inuti en trähäst (plasma), som sedan drogs in i staden (gaspedalen).

"Vårt experiment visar för första gången att den trojanska hästmetoden faktiskt fungerar, "säger Bernhard Hidding från University of Strathclyde i Glasgow, Skottland, huvudutredaren av en studie som publicerades idag i Naturfysik . "Det är en av de mest lovande metoderna för framtida elektronkällor och kan flytta gränserna för dagens teknik."

Byt ut metall mot plasma

I nuvarande toppmoderna acceleratorer, elektroner genereras genom att lysa laserljus på en metallisk fotokatod, som sparkar ut elektroner ur metallen. Dessa elektroner accelereras sedan inuti metallhåligheter, där de drar mer och mer energi från ett radiofrekvensfält, vilket resulterar i en elektron med hög energi. I röntgenlasrar, såsom SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS), strålen driver produktionen av extremt starkt röntgenljus.

Men metallhålrum kan bara stödja en begränsad energivinst över ett givet avstånd, eller accelerationsgradient, innan det går sönder, och därför blir acceleratorer för högenergibalkar mycket stora och dyra. Under de senaste åren har forskare vid SLAC och på andra håll har undersökt sätt att göra acceleratorer mer kompakta. De demonstrerade, till exempel, att de kan ersätta metallhålor med plasma som tillåter mycket högre accelerationsgradienter, potentiellt krymper längden på framtida acceleratorer 100 till 1, 000 gånger.

Det nya papperet utökar plasmakonceptet till elektronkällan till en accelerator.

"Vi har tidigare visat att plasmacceleration kan vara extremt kraftfull och effektiv, men vi har inte kunnat producera balkar med tillräckligt hög kvalitet för framtida applikationer, "säger medförfattaren Mark Hogan från SLAC." Att förbättra strålkvaliteten är högsta prioritet under de kommande åren, och att utveckla nya typer av elektronkällor är en viktig del av det. "

Enligt tidigare beräkningar av Hidding och kollegor, den trojanska hästtekniken kan göra elektronstrålar 100 till 10, 000 gånger ljusare än dagens mest kraftfulla strålar. Ljusare elektronstrålar skulle också göra framtida röntgenlasrar ljusare och ytterligare förbättra deras vetenskapliga kapacitet.

"Om vi ​​kan gifta oss med de två stora dragkraften-höga accelerationsgradienter i plasma och strålskapande i plasma-skulle vi kunna bygga röntgenlasrar som utvecklar samma effekt över ett avstånd på några meter snarare än kilometer, "säger medförfattaren James Rosenzweig, huvudutredaren för det trojanska hästprojektet vid University of California, Los Angeles.

Producerar överlägsna elektronstrålar

Forskarna genomförde sitt experiment vid SLAC:s Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET). Byggnaden, som för närvarande genomgår en större uppgradering, genererar pulser av mycket energiska elektroner för forskning om nästa generations acceleratorteknologi, inklusive plasmacceleration.

Först, teamet blinkade laserljus i en blandning av väte och heliumgas. Ljuset hade precis tillräckligt med energi för att ta bort elektroner från väte, förvandla neutralt väte till plasma. Det var inte tillräckligt energiskt för att göra detsamma med helium, fastän, vars elektroner är tätare bundna än de för väte, så den förblev neutral inuti plasma.

Sedan, forskarna skickade en av FACET:s elektronbuntar genom plasma, där det producerade en plasmaklocka, ungefär som en motorbåt skapar ett vak när den glider genom vattnet. Släpande elektroner kan "surfa" i kölvattnet och få enorma mängder energi.

Mer FoU -arbete väntar

Men innan applikationer som kompakta röntgenlasrar kan bli verklighet, mycket mer forskning behöver göras.

Nästa, forskarna vill förbättra sin strålas kvalitet och stabilitet och arbeta med bättre diagnostik som gör det möjligt för dem att mäta den faktiska strålens ljusstyrka, istället för att uppskatta det.

Denna utveckling kommer att ske när FACET -uppgraderingen, FACET-II, är klart. "Experimentet förlitar sig på förmågan att använda en stark elektronstråle för att producera plasmavaken, "säger Vitaly Yakimenko, direktör för SLAC:s FACET -avdelning. "FACET-II kommer att vara det enda stället i världen som kommer att producera sådana strålar med tillräckligt hög intensitet och energi."

I den här studien, de bakre elektronerna kom inifrån plasma (se animation ovan och film nedan). Precis när elektrongruppen och dess kölvatten gick förbi, forskarna zappade heliumet i plasma med en sekund, tätt fokuserad laserblixt. Den här gången hade ljuspulsen tillräckligt med energi för att sparka ut elektroner ur heliumatomerna, och elektronerna accelererades sedan i kölvattnet.

Synkroniseringen mellan elektrongruppen, rusar genom plasma med nästan ljusets hastighet, och laserblixten, varar bara några miljoner av en miljarddel av en sekund, var särskilt viktigt och utmanande, säger UCLA:s Aihua Deng, en av studiens ledande författare:"Om blixten kommer för tidigt, elektronerna som den producerar kommer att störa bildandet av plasmavaken. Om det kommer för sent, Plasmavaken har gått vidare och elektronerna kommer inte att accelereras. "

Forskarna uppskattar att ljusstyrkan hos elektronstrålen som erhållits med den trojanska hästmetoden redan kan konkurrera med ljusstyrkan hos befintliga toppmoderna elektronkällor.

"Det som gör vår teknik transformerande är hur elektronerna produceras, "säger Oliver Karger, den andra huvudförfattaren, som var vid universitetet i Hamburg, Tyskland, vid tidpunkten för studien. När elektronerna avlägsnas från heliumet, de accelereras snabbt i riktning framåt, som håller strålen smalt buntad och är en förutsättning för ljusare strålar.