레이저 플라즈마 가속기의 가장 효율적인 작동을 위한 최적의 조건 17.09.2017

전통적인 전자 가속기는 오랫동안 과학 기기의 주요 유형 중 하나가 되었으며 싱크로트론과 자유 전자 레이저에 의해 생성되는 극도로 강렬하고 짧은 방사선 펄스를 통해 과학자는 원자 규모에서 발생하는 물질과 프로세스를 연구할 수 있습니다. 그러나 가장 작은 전자 가속기조차도 이제 축구장 면적과 비슷한 면적을 차지합니다.

전통적인 전자 가속 기술에 대한 대안은 가속기의 작은 크기로 가속된 고강도 전자 빔을 얻을 수 있는 레이저 플라즈마 가속 방법입니다. 그러나이 유형의 가속기에는 한 가지 단점이 있습니다. 도움으로 안정적인 밝기로 안정적인 전자 빔을 얻는 것이 매우 어렵습니다. 그리고 이 문제는 독일 HZDR(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) 연구 센터의 물리학자들에 의해 해결되었으며, 이들은 레이저 플라즈마 전자 가속기의 최적 작동 조건을 만들기 위한 여러 매개변수를 결정했습니다.

레이저 플라즈마 가속 기술의 기본 원리는 매우 간단합니다. 강력한 레이저 빔은 가스 매체에 집중되어 영향을 받아 플라즈마로 물질의 이온화된 상태로 변합니다. 레이저 빔의 에너지는 전자가 "고유" 원자를 떠나게 하여 플라즈마 부피에 강한 전기장의 일종의 "거품"을 생성합니다. 레이저 광의 펄스를 따르는 이 전기장의 영역은 거의 빛의 속도로 이동하는 파동입니다. 그리고 이 파동의 꼭대기에 갇힌 전자도 거의 빛의 속도로 가속됩니다. 이 전자를 레이저 광의 추가 펄스에 노출시키면 과학자들이 다양한 재료의 연구 샘플을 "투시"하는 도움으로 밝고 극초단파 X선 펄스가 생성됩니다.

XNUMX차 X선 복사의 강도는 이 과정에 관여하는 고에너지 전자의 수에 직접적으로 의존합니다. 그러나 많은 수의 전자가 가속되면 이들 전자와 그 전계와 관련된 효과의 영향으로 플라즈마 파동이 감쇠하고, 이는 더욱이 빔의 형상에 악영향을 미친다. 빔의 왜곡된 모양과 플라즈마 파동의 불안정성은 빔에 에너지 수준 및 기타 매개변수가 다른 전자가 포함되어 있다는 사실로 이어집니다.

물리학자 Jurjen Pieter Couperus는 "그러나 고정밀 실험에 전자빔을 사용할 수 있으려면 동일한 매개변수를 가진 전자로 구성된 안정적인 빔이 필요합니다. 빔의 모든 전자는 올바른 위치에 있어야 합니다. 적절한 시간에 장소."

HZDR의 과학자들은 레이저 플라즈마 가속기에 의해 생성된 전자빔의 품질을 개선하기 위한 여러 연구를 수행했습니다. 그들은 플라즈마 생성에 사용되는 헬륨에 소량의 질소를 첨가하면 상황이 크게 개선된다는 것을 발견했습니다. Jurien Peter Kuperus는 "우리는 질소 농도를 변경하여 플라즈마 파동을 타고 있는 전자의 수를 제어할 수 있습니다"라고 설명합니다. 어떤 방향으로든 이 값에서 가장 작은 편차라도 에너지 손실로 이어져 생성된 빔의 품질이 저하됩니다."

수행된 계산에 따르면 고품질의 것을 생성하려면 플라즈마 파동에서 전자 이동의 피크 전류가 최소 50킬로암페어여야 한다는 것이 여전히 필요합니다.

Jurien Peter Kuperus는 "DRACO의 페타와트 레이저의 초단파 펄스를 사용하여 150킬로암페어의 피크 전류에서 고품질 전자빔을 생성할 수 있을 것"이라고 말했습니다. 그리고 이것은 우리가 매우 컴팩트한 차세대 X선 소스를 만들 수 있게 해 줄 것입니다."