Den mycket olinjära plasmavågen (grönfärgad) som drivs av en stark laserpuls når vågbrytningspunkten, där en bråkdel av plasmaelektroner (rödfärgade) fångas upp av wakefield och accelereras. Kredit:Igor Andriyash, Yang Wan och Victor Malka.
Under de senaste decennierna har fysiker och ingenjörer försökt skapa allt mer kompakta laser-plasmaacceleratorer, en teknik för att studera interaktioner mellan materia och partiklar som produceras av interaktioner mellan ultrasnabba laserstrålar och plasma. Dessa system är ett lovande alternativ till befintliga storskaliga maskiner baserade på radiofrekventa signaler, eftersom de kan vara mycket effektivare för att accelerera laddade partiklar.
Även om laserplasmaacceleratorer ännu inte används i stor utsträckning, har flera studier belyst deras värde och potential. För att optimera kvaliteten på den accelererade laserstrålen som produceras av dessa enheter måste forskare dock kunna övervaka flera ultrasnabba fysiska processer i realtid.
Forskare vid Weizmann Institute of Science (WIS) i Israel har nyligen tagit fram en metod för att direkt observera laserdrivna och olinjära relativistiska plasmavågor i realtid. Genom att använda denna metod, introducerad i en artikel publicerad i Nature Physics , kunde de karakterisera olinjär plasma vid otroligt höga temporala och rumsliga upplösningar.
"Att avbilda en mikrometrisk laserdriven plasmavåg som går med ljusets hastighet är mycket utmanande, vilket innebär användningen av ultrakorta ljuspulser eller knippen av laddade partiklar," Yang Wan, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Medan ljuset kan avslöja strukturer i plasmadensitet, undersöker partikelstrålarna plasmavågornas inre fält och kan därmed ge oss mycket mer information om tillståndet för dessa vågor, dvs. deras förmåga att injicera och accelerera plasmaelektronerna."
Det senaste arbetet av Wan och hans kollegor är baserat på en tidigare proof-of-principle-studie som han genomförde med sitt tidigare forskarteam vid Tsinghua University i Kina. Denna tidigare studie bekräftade i huvudsak genomförbarheten av att avbilda svagare linjära sinusvågor (dvs naturliga representationer av hur många saker och system i naturen ändrar tillstånd över tiden).
"För att direkt observera den mycket olinjära plasmavågen som är mest populär för elektronacceleration, konstruerade vi två högeffekts laserplasmaacceleratorer med vårt dubbla 100 TW-lasersystem vid WIS," förklarade Wan. "Det här systemet producerar en högenergi högladdad elektronsond och det andra producerar ett mycket olinjärt plasmavakfält som ska sonderas. I denna utforskande studie har vi testat den här nya avbildningstekniken till dess gränser och letat efter de fina fältstrukturerna inuti olinjära plasmavågor."
Det ursprungliga målet med experimentet som utfördes av Wan och hans kollegor på WIS var att observera plasmavågor i detalj. Efter att ha gjort detta insåg dock teamet att olinjära plasmavågor avviker sondpartiklar på mer intressanta och överraskande sätt, och verkade genom både elektriska och magnetiska fält.
"När vi dechiffrerade denna information med teoretiska och numeriska modeller identifierade vi funktionerna som korrelerar direkt med den täta elektronspetsen på baksidan av den bildade "plasmabubblan", sa Wan. "Såvitt vi vet är detta den första mätningen av sådana fina strukturer inuti den olinjära plasmavågen."
Wan och hans kollegor ökade därefter kraften hos drivlasern som användes i deras experiment. Detta gjorde att de kunde identifiera den så kallade "vågbrytningen", det tillstånd efter vilket en plasmavåg inte längre kan växa, så den fångar istället plasmaelektroner i sitt accelererande fält. Vågbrytning är ett grundläggande fysiskt fenomen, särskilt i plasma.
"Det första viktiga resultatet av vårt arbete är avbildningen av de extremt starka fälten av relativistiska plasma, eftersom den utnyttjar en unik egenskap hos sådana laserplasmaacceleratorer - strållängden på några femtosekunder och mikrometerstrålkällans storlek, som ger ultraljud. -hög spatiotemproal upplösning för att fånga de mikroskopiska fenomen som körs med ljusets hastighet," sa Wan. "Genom att avbilda plasmavågen observerade vi också direkt den subtila processen att "vågbryta", vilket i sig var en underbar upplevelse."
Anmärkningsvärt nog skulle de mätningar som samlats in av detta team av forskare vara omöjliga att uppnå med någon av de befintliga konventionella acceleratorerna baserade på radiofrekvensteknologi. I framtiden skulle deras arbete således kunna inspirera andra team att ta fram liknande experimentella metoder för att ytterligare observera plasmans många nyanser.
"Vågbrytning är också avgörande för plasmabaserade acceleratorer, på grund av produktionen av relativistiska elektroner från självinjektion," sa Wan. "Denna insprutningsmekanism är ganska viktig i enstegs multi-GeV-acceleratorer där det är svårt att upprätthålla den kontrollerade insprutningen under en lång drifttid."
Detta senaste arbete av Wan och hans kollegor kan ha många viktiga konsekvenser för utvecklingen och användningen av laserplasmaacceleratorer. Framför allt introducerar den ett värdefullt verktyg för att identifiera elektronsjälvinjektionsprocessen i realtid, vilket skulle göra det möjligt för forskare att finjustera acceleratorer och förbättra kvaliteten på deras strålar.
"Vi har nu ett unikt och kraftfullt verktyg för att utforska extrema fält för att undersöka många andra grundläggande frågor inom ett bredare spektrum av plasmaparametrar som är relevanta för fysik, inklusive partikelstråledrivet wakefield, stråle-plasmainteraktion och fusionsrelaterad plasmadynamik." Prof. Victor Malka, huvudforskaren av studien och gruppens ledande forskare, berättade för Phys.org. "Framtiden är mycket spännande, och vi är otåliga att gå djupare in i utforskningen av rika fenomen inom plasmafysik." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
