Los aceleradores de electrones convencionales se han convertido en una herramienta indispensable en la investigación moderna. La radiación extremadamente brillante generada por los sincrotrones, o los láseres de electrones libres, nos proporciona información única sobre la materia a nivel atómico. Pero incluso las versiones más pequeñas de estos súper microscopios sontamaño de un campo de fútbol. La aceleración por plasma láser podría ofrecer una alternativa: con una huella mucho menor y corrientes de pico mucho más altas, podría ser la base para la próxima generación de fuentes de luz compactas. Hasta ahora, el desafío con los aceleradores láser ha sido crearun haz de electrones confiable y estable, que es el requisito previo para posibles aplicaciones. Los físicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR han desarrollado un método para aumentar tanto la estabilidad como la calidad del haz.
El principio básico de la aceleración láser parece bastante simple: un haz láser ultrafuerte incluido golpea un rastro de gas, que crea instantáneamente plasma, un estado ionizado de la materia o, en otras palabras, una mezcla giratoria de partículas cargadas.El poder del pulso de luz empuja a los electrones lejos de sus iones padres, creando una especie de estructura en forma de burbuja con un fuerte campo eléctrico en el plasma. Este campo, que el pulso láser arrastra detrás de sí mismo como una onda severa, atrapa los electrones,acelerándolos a casi la velocidad de la luz. "Estas partículas rápidas nos permiten generar rayos X", explica la Dra. Arie Irman, del Instituto de Física de Radiación del HZDR, el propósito del procedimiento. "Por ejemplo, cuando hacemos estos haces de electronesAl chocar con otro rayo láser, el impacto genera destellos de rayos X ultra cortos y brillantes, una herramienta de investigación inmensamente valiosa para examinar estados extremos de la materia ".
Tiempo correcto + Lugar correcto = Aceleración perfecta
La fuerza de la radiación secundaria depende en gran medida de la corriente eléctrica de las partículas. La corriente, a su vez, está determinada principalmente por la cantidad de electrones alimentados en el proceso. Por lo tanto, la aceleración accionada por láser tiene un gran potencial, ya que alcanza un nivel significativamente mayorcorrientes máximas en comparación con el método convencional. Sin embargo, como señala el físico Jurjen Pieter Couperus, el llamado efecto de carga del haz entra en acción: "Estas corrientes más altas crean un campo eléctrico propio lo suficientemente fuerte como para superponer y perturbar la onda impulsada por láser, distorsionando así el haz. El haz se estira y no se acelera adecuadamente. Por lo tanto, los electrones tienen diferentes energías y niveles de calidad. "Pero para usarlos como una herramienta para otros experimentos, cada haz debe tener los mismos parámetros".los electrones tienen que estar en el lugar correcto en el momento correcto ", resume Couperus, que es candidato a doctorado en el equipo de Irman.
Junto con otros colegas del HZDR, los dos investigadores fueron los primeros en demostrar cómo se puede explotar el efecto de carga del haz para mejorar la calidad del haz. Añaden un poco de nitrógeno al helio al que generalmente se dirige el rayo láser ".Podemos controlar la cantidad de electrones que alimentamos en el proceso cambiando la concentración de nitrógeno ", explica Irman." En nuestros experimentos, descubrimos que las condiciones son ideales con una carga de aproximadamente 300 picocoulomb. Cualquier desviación de él -Si agregamos más o menos electrones a la onda, se obtiene una mayor difusión de energía, lo que perjudica la calidad del haz ".
Como lo han demostrado los cálculos de los físicos, los experimentos en condiciones ideales producen corrientes máximas de aproximadamente 50 kiloamperios. "Para poner esto en contexto, solo unos 0.6 kiloamperios fluyen a través de la línea aérea estándar para un tren alemán de alta velocidad", Jurjen PieterCouperus explica. Confía en que pueden batir su propio récord: "Utilizando nuestros hallazgos y un pulso láser en el rango de petavatios, que nuestro DRACO láser de alta intensidad puede lograr, deberíamos ser capaces de generar un haz de electrones de alta calidad concorrientes máximas de 150 kiloamperios. Eso superaría los modernos aceleradores de investigación a gran escala en aproximadamente dos órdenes de magnitud ". Un logro que los investigadores de Dresden creen que allanará el camino para la próxima generación de fuentes compactas de radiación".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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