La aceleración directa controlada de electrones en campos láser muy fuertes puede ofrecer un camino hacia aceleradores ultracompactos. Dicha aceleración directa requiere la rectificación y el desacoplamiento del campo láser electromagnético oscilante de los electrones de una manera adecuada. Los investigadores de todo el mundo intentan abordar estoEn experimentos en el Instituto Max Born, la aceleración láser directa de electrones ahora se podría demostrar y comprender en detalle teóricamente. Este concepto es un paso importante hacia la creación de pulsos de electrones relativistas y ultracortos dentro de distancias de aceleración muy cortas por debajo de un milímetroLas fuentes de rayos X compactas y electrónicas resultantes tienen un amplio espectro de aplicaciones en espectroscopía, análisis estructural, ciencias biomédicas y en nanotecnología.
La forma en que los electrones pueden acelerarse a energías cinéticas relativistas en campos láser fuertes es una cuestión fundamental en la física de la interacción de la materia luminosa. Aunque los campos electromagnéticos de un pulso láser fuerzan un electrón libre previamente en reposo a oscilaciones con altísimas alturasvelocidades, estas oscilaciones cesan nuevamente cuando el pulso de luz ha pasado. No se puede realizar una transferencia de energía neta por una aceleración tan directa de una partícula cargada en el campo láser. Este principio fundamental, que a menudo se discute en los exámenes de física, es válido paraciertas condiciones límite de la extensión espacial y la intensidad del pulso láser. Solo para condiciones límite particulares particulares, los electrones pueden recibir una transferencia de energía neta a través de la aceleración del campo láser fuerte. Estas condiciones pueden establecerse, por ejemplo, enfocando el pulso lásero la presencia de fuertes campos electrostáticos en un plasma.
En todo el mundo, los científicos están buscando soluciones de cómo se pueden extraer electrones rápidos de campos láser extremadamente fuertes y cómo se pueden obtener pulsos de electrones cortos con una alta densidad de carga a través de pulsos de láser ultracortos.
En campos de luz de intensidad relativista I> 1018 W / cm2 los electrones oscilan con velocidades cercanas a la velocidad de la luz. La energía cinética correspondiente alcanza valores de MeV a GeV a I> 1022 W / cm2. Los campos de luz fuertes sonrealizado mediante el enfoque de pulsos láser ultracortos con alta energía hasta áreas de pocos micrómetros. La distribución de intensidad espacial resultante ya permite la aceleración de los electrones hasta altas energías cinéticas. Este proceso se conoce como aceleración ponderomotriz. Es un proceso esencial.para la interacción entre campos de luz fuertes y materia. Varios estudios teóricos, sin embargo, han predicho que el número de electrones y su energía cinética puede incrementarse significativamente por una aceleración directa en el campo láser, pero solo si la interacción electrón-luz esinterrumpido de manera adecuada. Estas consideraciones fueron el punto de partida para los experimentos de Julia Braenzel y sus colegas del Instituto Max Bornmi.
En los experimentos en MBI, los electrones se desacoplaron del pulso de luz en un momento particular en el tiempo, usando una lámina separadora que es opaca para la luz láser pero que puede transmitir electrones rápidos. Podríamos demostrar que este método conduce a un aumentodel número de electrones con altas velocidades. Al principio, un pulso láser 70 TW Ti: Sapphire 2 J @ 35 fs irradia una lámina delgada de 30 - 100 nm que consiste en un polímero PVF. En la dirección de propagación del láser,Aproximadamente 109 electrones se aceleran hasta varios MeV de energía a través de la fuerza ponderomotriz. Durante esta interacción, la lámina se ioniza casi por completo y se transforma en plasma.
Para láminas objetivo suficientemente delgadas por debajo de 100 nm, una fracción de la luz láser incidente puede transmitirse a través del plasma. La luz transmitida comienza a superar a los electrones ya emitidos en esta dirección. Esto corresponde a una inyección de electrones lentos sincronizada casi intrínsecamenteen el campo láser transmitido, pero aún relativista <8 x 1018W / cm2. Si se coloca una segunda lámina delgada de separación a la distancia correcta detrás de la primera, se observa amplificación en la señal electrónica para un intervalo de energía particular.
Los experimentos llevados a cabo en el grupo de Matthias Schnürer demuestran que se puede obtener una amplificación de la señal electrónica y se maximiza para una distancia particular. La amplificación desaparece para distancias muy grandes. Numerosas mediciones y simulaciones numéricas confirmaron la hipótesis de que los electronescon alta energía cinética, de hecho, se puede extraer del campo de luz si se desacoplan adecuadamente. Si las láminas del separador se encuentran en una posición optimizada, los electrones lentos con energías cinéticas por debajo de 100keV se aceleran a unas energías cinéticas diez veces más altas.a una concentración de electrones en un intervalo de energía estrecho. En contraste con los experimentos que utilizan los diferentes mecanismos de aceleración del campo de estela láser, donde ya se ha demostrado la producción de electrones GeV, la aceleración láser directa demostrada aquí puede ampliarse a intensidades láser altasy altas densidades de plasma. Más allá de la visión fundamental en laser-maDespués de las interacciones, la aceleración láser directa demostrada en este trabajo es prometedora para la realización futura de fuentes compactas de electrones relativistas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Forschungsverbund Berlin eV FVB . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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