Fysiker vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) funderar på nya sätt att accelerera elektroner till rekordhöga energier över rekordkorta avstånd med en teknik som använder laserpulser och exotisk materia som kallas plasma. Men att mäta egenskaperna hos de högenergielektronstrålarna som produceras i laser-plasmaaccelerationsexperiment har visat sig vara utmanande, eftersom den högintensiva lasern måste avledas utan att störa elektronstrålen.

Nu, en ny, kompakt system har framgångsrikt demonstrerats vid Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center för att tillhandahålla samtidiga högupplösta mätningar av flera elektronstråleegenskaper.

Det nya systemet använder ultratunna flytande kristallfilmer, utvecklad av professor Douglass Schumacher och hans team vid Ohio State University, att omdirigera lasern samtidigt som elektronstrålen kan passera igenom, i stort sett opåverkad. Lasern bildar ett plasma som reflekterar huvuddelen av dess laserljus.

Medan varje laserpuls förstör den flytande kristallfilmen, liknar en bubbelmaskin, den flytande kristallfilmen fylls på med en roterande skiva och torkaranordning efter varje laserskott. Filmerna som bildas av den här enheten är bara tiotals nanometer (miljarddelar av meter) i tjocklek, ungefär en faktor 1, 000 tunnare än de i andra påfyllningsbara plasmaspegelsystem som använder VHS-kassettband, till exempel. Denna minskning av tjockleken tjänar till att bevara elektronstrålens egenskaper.

Avböjningen av laserljus bort från elektronstrålen är väsentlig för att producera en exakt diagnostik av elektronstrålen, noterade Jeroen van Tilborg, en forskare från BELLA Center, och det är också avgörande för flerstegs laser-plasmaaccelerationsexperiment, där laserpulserna uppdateras vid varje steg för att ge en ytterligare "kick" av acceleration för elektronstrålen tills den når sin nödvändiga acceleration.

Den flytande kristallplasmaspegeln (LCPM) möjliggör också användningen av en gasfylld, 6 centimeter lång stark fokuseringsanordning för elektronstrålen, känd som en aktiv plasmalins.

Denna lins möjliggör ett kompakt alternativ till ett stort diagnostiskt verktyg som kallas en magnetisk spektrometerenhet, som har skrymmande magneter som väger mer än ett ton och är kopplade till en stor strömkälla.

"Vi kunde ersätta detta med dipolmagneter (tvåpoliga) ungefär lika stora som en smörgås, sa Sam Barber, en forskare vid BELLA Center i Berkeley Labs avdelning för Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP). "Laserplasmaacceleratorer kan producera högenergielektroner i kompakta fotavtryck, men det finns fortfarande mycket som kan göras för att krympa några av komponenterna, inklusive elektronstrålediagnostik."

Han lade till, "Detta är en enorm minskning av skalan. Vi kombinerar en petawatt-laser (högeffekts) med ultratunna LCPM:er och aktiva plasmalinser - alla nya teknologier som nyligen har utvecklats. Vi kombinerade dem alla tre och vi fick en trevlig resultat. Vi tar stora steg framåt. Det finns en hel rad nya applikationer som detta skulle kunna användas för."

Barber var huvudförfattare till en studie som beskriver prestandan och installationen av det nya diagnostiska verktyget, publiceras i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik . Andra BELLA Center-forskare deltog i studien, för, tillsammans med forskare från UC Berkeley och Ohio State University. De nuvarande framstegen stöddes av LaserNetUS, det nyligen bildade nätverket av högeffektlaseranläggningar som finansieras av DOE Office of Science, Office of Fusion Energy Sciences, och Office of High Energy Physics.

Carl Schröder, en seniorforskare från Berkeley Lab som är biträdande chef för BELLA Center, sa att förutom dess kompakthet, den nya diagnostiska tekniken kan samla in flera elektronstråleegenskaper samtidigt, inklusive den detaljerade energifördelningen av elektronstrålen och strålens emittans, på engångsbasis. Emittans är en kritisk egenskap hos en elektronstråle som dikterar hur hårt strålen kan fokuseras. En låg emittans betyder att strålen kan fokuseras ner till en mycket liten punkt, avgörande för de flesta acceleratortillämpningar som kolliderare och frielektronlasrar.

"Vanligtvis, dessa är multishot-diagnostik, " han sa, som gör ett medelvärde för mätningarna av flera strålpulser men inte mäter puls för puls – precis som den nya tekniken.

I den visade uppställningen, en laser fokuseras in i en gascell, där det skapar och interagerar med ett plasma, genererar och accelererar en elektronstråle. Efter att ha passerat denna cell, den kombinerade laserstrålen och elektronstrålen anländer till LCPM, vid vilken punkt lasern avböjs medan elektronstrålen sänds - med försumbar störning.

Elektronstrålen passerar sedan genom den aktiva plasmalinsen. Linsen används för att fokusera elektronstrålen till en sekvens av små magneter. Magnetfältet sprider elektronerna enligt energi - ungefär som hur ljus sprids av färg när det passerar genom ett prisma.

Den spridda elektronstrålen passerar sedan genom en speciell kristall som producerar ljus när elektronen passerar igenom. Högupplösta bilder av kristallens ljussignatur möjliggör en exakt, sub-procentupplösning kartläggning av energin hos elektronstrålen, och samtidiga emissionsmätningar.

Mätningarna kan i slutändan hjälpa forskare att felsöka, ställa in, och förbättra prestandan för laser-plasmaaccelerationsexperiment, och installationen kan potentiellt vara relevant för framtida kolliderapplikationer och kompakta röntgenfria elektronlasrar, forskare noterade, som kan ha ett brett spektrum av tillämpningar.

"Du vill snabbt kunna karakterisera dessa strålar och använda det som feedback för optimering, ", sa Barber. "Detta är användbart för karakterisering och kontroll av elektronstråleegenskaper."