Физики достигли пятикратного увеличения пиковой мощности электронного пучка
Учёным из Национальной ускорительной лаборатории SLAC удалось создать сверхкороткий электронный пучок, пиковая мощность которого в пять раз превышает показатели любого аналогичного пучка на Земле.
Это достижение решает одну из фундаментальных проблем физики ускорителей частиц и открывает новые возможности для исследований в области квантовой химии, астрофизики и материаловедения.
«Мы не только создали такой мощный электронный пучок, но и научились контролировать его параметры по запросу, что позволяет исследовать гораздо более широкий спектр физических и химических явлений, чем когда-либо прежде», – отметил Клаудио Эмма, ведущий научный сотрудник SLAC и один из главных авторов исследования.
Традиционно для сжатия и фокусировки электронного пучка используется микроволновое поле, в котором электроны располагаются ступенчато: задние обладают большей энергией, чем передние. Однако при ускорении электроны излучают радиацию и теряют энергию, что приводит к ухудшению качества пучка.
Для решения этой проблемы исследователи SLAC применили технику лазерного формирования, изначально разработанную для рентгеновских лазеров на свободных электронах. С её помощью удалось сжать миллиарды электронов до длины менее одного микрометра.
«Главное преимущество использования лазера заключается в том, что мы можем создавать энергетическую модуляцию гораздо точнее, чем с помощью микроволновых полей», – пояснил Эмма. При этом он отметил сложность процесса: лазер взаимодействует с пучком на первых 10 метрах километрового ускорителя, после чего модулированный пучок необходимо транспортировать без потерь ещё километр и сжать.
После нескольких месяцев тестирования команда научилась стабильно получать высокоэнергетические электронные пучки фемтосекундной длительности с петаваттной пиковой мощностью, превышающей предыдущие достижения в пять раз.
Новый пучок позволит учёным исследовать различные природные явления. Например, в астрофизике его можно направить на твёрдую или газовую мишень для создания нитевидных структур, подобных наблюдаемым в звёздах. Исследователи уже применяют его для развития технологии плазменного кильватерного ускорения.
Особый интерес представляет возможность дальнейшего сжатия этих пучков для получения аттосекундных световых импульсов, что расширит возможности установки LCLS и откроет путь к новым научным открытиям.
«У нас есть уникальная установка FACET-II, где исследователи могут проводить свои эксперименты», – подчеркнул Эмма.