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レーザープラズマ加速器の最も効率的な運転のための最適条件

17.09.2017

従来の電子加速器は長い間、主要な種類の科学機器の XNUMX つになりました。シンクロトロンと自由電子レーザーによって生成される非常に強力で短い放射パルスにより、科学者は原子スケールで発生する物質とプロセスを研究できます。しかし、最小の電子加速器でさえ、サッカー場の面積に匹敵する面積を占めるようになりました。

従来の電子加速技術に代わるものとして、小型の加速器で高強度の加速電子ビームを得ることができるレーザープラズマ加速法があります。しかし、このタイプの加速器には XNUMX つの欠点があります。これを使用すると、安定した明るさで安定した電子ビームを取得することが非常に困難になります。そして、この問題は、ドイツの研究センター HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) の物理学者によって解決され、レーザープラズマ電子加速器の最適な動作条件を作成するための多くのパラメーターを決定することができました。

レーザープラズマ加速技術の根底にある原理は非常に単純です。強力なレーザービームがガス媒体に集束され、その影響下でプラズマになり、物質がイオン化された状態になります。レーザービームのエネルギーにより、電子は「元の」原子から離れ、プラズマの体積に強い電場の一種の「泡」が作られます。レーザー光のパルスに続く電界のこの領域は、ほぼ光の速度で移動する波です。そして、この波の山に閉じ込められた電子もほぼ光速まで加速されます。これらの電子をレーザー光の追加パルスにさらすと、明るく超短の X 線パルスが生成され、科学者はこのパルスを利用して、研究対象のさまざまな材料のサンプルを「透視」します。

二次 X 線放射の強度は、このプロセスに関与する高エネルギー電子の数に直接依存します。しかし、多数の電子が加速されると、これらの電子とその電場に関連する効果の影響によりプラズマ波が減衰し、さらにビームの形状に悪影響を及ぼします。ビームの歪んだ形状とプラズマ波の不安定性により、ビームにはさまざまなレベルのエネルギーやその他のパラメーターを持つ電子が含まれているという事実が生じます。

「しかし、高精度の実験に電子ビームを使用できるようにするためには、同じパラメータを持つ電子で構成される安定したビームが必要です。適切なタイミングで配置してください。」

HZDR の科学者は、レーザープラズマ加速器によって生成される電子ビームの品質を向上させることを目的とした多くの研究を実施しました。彼らは、プラズマを生成するために使用されるヘリウムに少量の窒素を追加すると、状況が大幅に改善されることを発見しました。「窒素の濃度を変えることで、プラズマ波に乗る電子の数を制御できます」とJurien Peter Kuperus氏は説明しています。ピコクーロンこの値からの任意の方向への最小の偏差でさえ、エネルギーの散逸につながり、生成されるビームの品質が低下します。」

実行された計算は、高品質のものを生成するために、プラズマ波の頂上での電子移動のピーク電流が少なくとも50キロアンペアであることが依然として必要であることを示しています。

「DRACO のペタワットレーザーの超短パルスを使用すると、150 キロアンペアのピーク電流で高品質の電子ビームを生成できるようになります」と、Jurien Peter Kuperus 氏は述べています。これにより、非常にコンパクトな次世代 X 線源を作成できるようになります。」

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