Inventada por T. Tajima y J. Dawson, la aceleración de campo láser (LWFA) aprovecha el poder de los pulsos láser de alta intensidad para generar ondas de plasma con gradientes de aceleración de órdenes de magnitud mayores que los aceleradores convencionales basados en RF.
Al tratar el pulso láser como una bala, la fuerza ponderomotriz induce una onda periódica en el plasma, similar a una cavidad de RF. Los electrones atrapados en esta onda pueden alcanzar energías de GeV en apenas un centímetro, mil veces más corto que los aceleradores convencionales. Las duraciones temporales de femtosegundos de los haces de electrones de LWFA presentan oportunidades sin precedentes para estudios ultrarrápidos.
Durante las últimas dos décadas, LWFA ha experimentado avances notables en energía máxima, distribución de energía, carga y tasa de repetición.
Con su alto gradiente de aceleración y su capacidad para producir haces de electrones de alto brillo, LWFA tiene un inmenso potencial para aplicaciones en física de alta energía, estudios de sondas de bomba de rayos X y dosimetría de resolución temporal. La densidad tridimensional (3D) es un parámetro crítico que influye en la luminosidad de un colisionador, el brillo de las fuentes secundarias de rayos X y las tasas de dosis máximas de radiación, respectivamente.
En particular, un láser de rayos X de electrones libres (XFEL) de mesa está estrechamente vinculado al proceso de láser en un ondulador. Sin embargo, hasta ahora la medición experimental ha sido difícil de alcanzar debido a la falta de métodos de diagnóstico. Si bien las distribuciones transversales o longitudinales relativas se han estudiado por separado, el perfil de densidad 3D absoluta aún no se ha caracterizado por completo.
En un nuevo artículo publicado en Light:Science &Applications , un equipo de científicos, dirigido por el Dr. Masaki Kando del Instituto Kansai de Ciencia Fotónica (KPSI), los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuánticas (QST), Japón, el Prof. Tomonao Hosokai de SANKEN, Universidad de Osaka, Japón, y co- Los trabajadores han logrado un gran avance en el monitoreo de un solo disparo del perfil de densidad 3D de los haces de electrones LWFA.
A través de investigaciones experimentales y numéricas sobre las imágenes de radiación de transición óptica (OTR), la decodificación espacial electroóptica (EO) y el algoritmo genético (GA), se reconstruyeron con éxito las estructuras tridimensionales detalladas de los haces de electrones ultrarrápidos de LWFA, iluminando el intrincado haz. dinámica del haz de electrones.
Los hallazgos revelan un tamaño transversal de menos de 30 micrómetros para el haz de electrones, lo que muestra la notable resolución lograda por la técnica de imágenes OTR. Además, el perfil actual exhibía una forma compleja de múltiples picos, con una estructura de menos de 10 femtosegundos con una corriente máxima superior a 1 kiloamperio (kA), un testimonio del rendimiento excepcional de la aceleración del campo de estela láser.
De particular importancia es la densidad numérica 3D máxima observada de ∼ 9 × 10 21 m -3 , que ofrece información invaluable sobre el grupo de electrones acelerados. Esta detección mostró el potencial para implementar un detector en cualquier posición a lo largo de una línea de transporte de haz, abriendo así nuevas vías para futuras aplicaciones en la ciencia de los aceleradores y más allá.
"La capacidad de medir el perfil de densidad tridimensional de los haces de electrones mejorará nuestra comprensión de LWFA y desbloqueará todo su potencial para diversas aplicaciones", afirmó el Dr. Kai Huang, investigador principal de QST y autor principal del artículo. P>
"Los resultados y metodologías presentados en este artículo tienen implicaciones de gran alcance en un espectro de disciplinas, incluida la física de aceleradores, láseres de alta potencia y óptica de terahercios".
Más información: Kai Huang et al, Instantánea electroóptica 3D de un haz de electrones de kiloamperios acelerado por un campo de estela láser, Luz:ciencia y aplicaciones (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01440-2
Información de la revista: Luz:ciencia y aplicaciones
Proporcionado por el Instituto de Óptica, Mecánica Fina y Física de Changchun
