Los físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley) del Departamento de Energía de EE. UU. Están descubriendo nuevas formas de acelerar electrones a energías récord en distancias cortas récord con una técnica que utiliza pulsos de láser y materia exótica conocida como plasma. Pero medir las propiedades de los haces de electrones de alta energía producidos en experimentos de aceleración de plasma láser ha demostrado ser un desafío, ya que el láser de alta intensidad debe desviarse sin interrumpir el haz de electrones.

Ahora, una nueva, El sistema compacto ha sido demostrado con éxito en el Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center para proporcionar mediciones simultáneas de alta resolución de múltiples propiedades de haz de electrones.

El nuevo sistema utiliza películas de cristal líquido ultrafinas, desarrollado por el profesor Douglass Schumacher y su equipo en la Universidad Estatal de Ohio, para redirigir el láser mientras permite que el haz de electrones pase, en gran parte no se ve afectado. El láser forma un plasma que refleja la mayor parte de su luz láser.

Mientras que cada pulso de láser destruye la película de cristal líquido, similar a una máquina de burbujas, la película de cristal líquido se repone mediante un disco giratorio y un dispositivo limpiador después de cada disparo láser. Las películas formadas por este dispositivo tienen solo decenas de nanómetros (mil millonésimas de metros) de espesor, alrededor de un factor de 1, 000 más delgados que los de otros sistemas de espejo de plasma rellenables que utilizan cinta de casete VHS, por ejemplo. Esta reducción de espesor sirve para preservar las propiedades del haz de electrones.

La desviación de la luz láser lejos del haz de electrones es esencial para producir un diagnóstico preciso del haz de electrones. señaló Jeroen van Tilborg, un científico del personal del Centro BELLA, y también es crucial para experimentos de aceleración de plasma láser de múltiples etapas, en el que los pulsos de láser se actualizan en cada etapa para proporcionar una "patada" adicional de aceleración para el haz de electrones hasta que alcanza la aceleración requerida.

El espejo de plasma de cristal líquido (LCPM) también permite el uso de un Dispositivo de enfoque fuerte de 6 centímetros de largo para el haz de electrones, conocida como lente de plasma activa.

Esta lente permite una alternativa compacta a una gran herramienta de diagnóstico llamada dispositivo de espectrómetro magnético, que tiene imanes voluminosos que pesan más de una tonelada y están acoplados a una gran fuente de alimentación.

"Pudimos reemplazar esto con imanes dipolo (dos polos) del tamaño de un sándwich, "dijo Sam Barber, un científico investigador en el Centro BELLA en la División de Tecnología Aceleradora y Física Aplicada (ATAP) del Laboratorio de Berkeley. "Los aceleradores de plasma láser pueden producir electrones de alta energía en espacios compactos, pero aún queda mucho por hacer para reducir algunos de los componentes, incluidos los diagnósticos por haz de electrones ".

Él agregó, "Esta es una gran reducción en la escala. Estamos combinando un láser de petavatios (alta potencia) con LCPM ultradelgados y lentes de plasma activo, todas tecnologías novedosas que se han desarrollado recientemente. Combinamos los tres y obtuvimos un buen resultado. Estamos dando grandes pasos hacia adelante. Hay una gran cantidad de nuevas aplicaciones para las que esto podría usarse ".

Barber fue el autor principal de un estudio que detalla el rendimiento y la configuración de la nueva herramienta de diagnóstico, publicado en la revista Letras de física aplicada . Otros investigadores del Centro BELLA participaron en el estudio, también, junto con investigadores de UC Berkeley y Ohio State University. Los avances actuales fueron respaldados por LaserNetUS, la red recientemente formada de instalaciones láser de alta potencia que está financiada por la Oficina de Ciencias del DOE, Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión, y Oficina de Física de Altas Energías.

Carl Schroeder, un científico senior de Berkeley Lab que es subdirector del Centro BELLA, dijo que además de su compacidad, la nueva técnica de diagnóstico puede recopilar varias propiedades del haz de electrones a la vez, incluyendo la distribución de energía detallada del haz de electrones y la emitancia del haz, sobre una base de un solo disparo. La emitancia es una propiedad crítica de un haz de electrones que dicta la precisión con la que se puede enfocar el haz. Una emisión baja significa que el haz se puede enfocar hacia un punto muy pequeño, crucial para la mayoría de las aplicaciones de aceleradores como colisionadores y láseres de electrones libres.

"Típicamente, estos son diagnósticos multidisparo, " él dijo, que promedian las mediciones de varios pulsos de haz pero no miden pulso a pulso, como lo hace la nueva técnica.

En la configuración demostrada, un láser se enfoca en una celda de gas, donde crea e interactúa con un plasma, generando y acelerando un haz de electrones. Después de pasar por esta celda, el rayo láser y el rayo de electrones combinados llegan al LCPM, en cuyo punto el láser se desvía mientras se transmite el haz de electrones, con una interrupción insignificante.

El haz de electrones luego pasa a través de la lente de plasma activa. La lente se utiliza para enfocar el haz de electrones en una secuencia de pequeños imanes. El campo magnético dispersa los electrones de acuerdo con la energía, de manera muy similar a la forma en que la luz se dispersa por color cuando pasa a través de un prisma.

El haz de electrones disperso luego pasa a través de un cristal especial que produce luz a medida que pasa el electrón. Las imágenes de alta resolución de la firma luminosa del cristal permiten una mapeo de resolución porcentual de la energía del haz de electrones, y mediciones simultáneas de emitancia.

En última instancia, las mediciones pueden ayudar a los investigadores a solucionar problemas, melodía, y mejorar el rendimiento de los experimentos de aceleración de plasma láser, y la configuración podría ser potencialmente relevante para futuras aplicaciones de colisionadores y láseres compactos de rayos X de electrones libres, los investigadores señalaron, que podría tener una amplia gama de aplicaciones.

"Desea poder caracterizar rápidamente estos haces y utilizarlos como retroalimentación para la optimización, ", Dijo Barber." Esto es útil para la caracterización y el control de las propiedades del haz de electrones ".