Лазерно-плазменные ускорители обещают стать переломным моментом в фундаментальных и прикладных исследованиях, промышленности и медицине благодаря своей компактности и эффективности. Однако до недавнего времени качество электронных пучков таких ускорителей не соответствовало требованиям для реальных приложений.
Эксперимент LUX в исследовательском центре DESY (Германия) продемонстрировал принципиальный прорыв в этом направлении. Команда под руководством Андреаса Майера разработала и реализовала инновационную систему коррекции пучка, значительно повысившую его однородность. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Традиционные ускорители используют радиочастотные резонаторы для передачи энергии электронам. Для достижения высоких энергий требуется последовательность множества таких резонаторов, что делает установки громоздкими и дорогими. В отличие от них, лазерно-плазменные ускорители работают по другому принципу: короткий и мощный лазерный импульс вводится в заполненную водородом капиллярную трубку, вызывая ионизацию газа и формирование плазмы. Лазер создает в плазме волну, похожую на кильватер за лодкой, на гребне которой электроны разгоняются до высоких энергий всего за несколько миллиметров.
Основная проблема заключалась в неравномерности пучков: электроны в одном bunch имели разную энергию и скорость. "Мы бы хотели, чтобы каждый пучок выглядел точно так же, как предыдущий", — отмечает Андреас Майер. В классических ускорителях такие задачи решаются системами управления, но для плазменных ускорителей подобных решений до сих пор не существовало.
Команда DESY реализовала двухступенчатую коррекцию. Сначала электроны из ускорителя LUX пропускались через хикану — систему из четырех отклоняющих магнитов, которая заставляла пучок сделать обход, растягивала импульс по времени и сортировала электроны по энергии. Более быстрые, высокоэнергетичные электроны оказывались впереди, медленные — позади. "Хикана работает как фильтр: мы получаем пучок, вытянутый и разделённый по энергии", — объясняет первый автор работы Пауль Винклер.
На втором этапе растянутый и отсортированный по энергии пучок вводился в резонатор радиочастотного ускорителя, аналогичный тем, что используются в традиционных ускорителях. Точная синхронизация позволяла задней, низкоэнергетичной части пучка ускориться, а передней, высокоэнергетичной — слегка замедлиться, что приводило к сжатию энергетического спектра и выравниванию пучка.
Результаты оказались впечатляющими: разброс по энергии уменьшился в 18 раз, а флуктуации центральной энергии — в 72 раза. Оба показателя стали менее 0,1% — на уровне лучших классических ускорителей.
Важную роль сыграло сотрудничество теоретиков и экспериментаторов. "Это фантастический пример взаимодействия команд", — подчеркивает Вим Лиманс, директор ускорительного подразделения DESY. Концепция коррекции была предложена совсем недавно и впервые реализована в рамках этого эксперимента. Большинство компонентов для системы были взяты из имеющихся на складе DESY, а эффект от коррекции был зафиксирован уже в первый день после установки. Последующая настройка заняла всего несколько дней и доказала работоспособность метода. Рейнхард Бринкманн, бывший директор ускорительного подразделения, отмечает, что успеха удалось достичь благодаря синергии между плазменными технологиями, современными техническими решениями и инженерной поддержкой DESY.
Достигнутые результаты укрепляют уверенность в том, что лазерно-плазменные ускорители могут стать полноценной альтернативой классическим установкам. Потенциальное применение — инжекция электронных пучков в источники рентгеновского излучения, такие как PETRA III и планируемый PETRA IV. На сегодняшний день для этих задач требуются крупные и энергоёмкие установки, однако лазерно-плазменная технология способна сделать их значительно компактнее и экономичнее.
Для дальнейшего развития необходимы совершенствование лазеров и переход к непрерывному режиму работы. "Мы показали, что плазменный ускоритель подходит для такого рода задач", — резюмирует Вим Лиманс.
Эксперимент LUX в DESY стал ключевым шагом к практическому применению лазерно-плазменных ускорителей в сложных научных и технологических проектах.
Изображение носит иллюстративный характер
Эксперимент LUX в исследовательском центре DESY (Германия) продемонстрировал принципиальный прорыв в этом направлении. Команда под руководством Андреаса Майера разработала и реализовала инновационную систему коррекции пучка, значительно повысившую его однородность. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Традиционные ускорители используют радиочастотные резонаторы для передачи энергии электронам. Для достижения высоких энергий требуется последовательность множества таких резонаторов, что делает установки громоздкими и дорогими. В отличие от них, лазерно-плазменные ускорители работают по другому принципу: короткий и мощный лазерный импульс вводится в заполненную водородом капиллярную трубку, вызывая ионизацию газа и формирование плазмы. Лазер создает в плазме волну, похожую на кильватер за лодкой, на гребне которой электроны разгоняются до высоких энергий всего за несколько миллиметров.
Основная проблема заключалась в неравномерности пучков: электроны в одном bunch имели разную энергию и скорость. "Мы бы хотели, чтобы каждый пучок выглядел точно так же, как предыдущий", — отмечает Андреас Майер. В классических ускорителях такие задачи решаются системами управления, но для плазменных ускорителей подобных решений до сих пор не существовало.
Команда DESY реализовала двухступенчатую коррекцию. Сначала электроны из ускорителя LUX пропускались через хикану — систему из четырех отклоняющих магнитов, которая заставляла пучок сделать обход, растягивала импульс по времени и сортировала электроны по энергии. Более быстрые, высокоэнергетичные электроны оказывались впереди, медленные — позади. "Хикана работает как фильтр: мы получаем пучок, вытянутый и разделённый по энергии", — объясняет первый автор работы Пауль Винклер.
На втором этапе растянутый и отсортированный по энергии пучок вводился в резонатор радиочастотного ускорителя, аналогичный тем, что используются в традиционных ускорителях. Точная синхронизация позволяла задней, низкоэнергетичной части пучка ускориться, а передней, высокоэнергетичной — слегка замедлиться, что приводило к сжатию энергетического спектра и выравниванию пучка.
Результаты оказались впечатляющими: разброс по энергии уменьшился в 18 раз, а флуктуации центральной энергии — в 72 раза. Оба показателя стали менее 0,1% — на уровне лучших классических ускорителей.
Важную роль сыграло сотрудничество теоретиков и экспериментаторов. "Это фантастический пример взаимодействия команд", — подчеркивает Вим Лиманс, директор ускорительного подразделения DESY. Концепция коррекции была предложена совсем недавно и впервые реализована в рамках этого эксперимента. Большинство компонентов для системы были взяты из имеющихся на складе DESY, а эффект от коррекции был зафиксирован уже в первый день после установки. Последующая настройка заняла всего несколько дней и доказала работоспособность метода. Рейнхард Бринкманн, бывший директор ускорительного подразделения, отмечает, что успеха удалось достичь благодаря синергии между плазменными технологиями, современными техническими решениями и инженерной поддержкой DESY.
Достигнутые результаты укрепляют уверенность в том, что лазерно-плазменные ускорители могут стать полноценной альтернативой классическим установкам. Потенциальное применение — инжекция электронных пучков в источники рентгеновского излучения, такие как PETRA III и планируемый PETRA IV. На сегодняшний день для этих задач требуются крупные и энергоёмкие установки, однако лазерно-плазменная технология способна сделать их значительно компактнее и экономичнее.
Для дальнейшего развития необходимы совершенствование лазеров и переход к непрерывному режиму работы. "Мы показали, что плазменный ускоритель подходит для такого рода задач", — резюмирует Вим Лиманс.
Эксперимент LUX в DESY стал ключевым шагом к практическому применению лазерно-плазменных ускорителей в сложных научных и технологических проектах.
